[科普中國]-你對宇宙的認識，離不開這些“深空之眼”

進入工業(yè)革命時代后，人類的科學技術水平突飛猛進，對宇宙的認知也快速提升。曾經(jīng)黑暗幽深的宇宙，在科學家眼中已經(jīng)變成了充斥著各種電磁波、高能粒子和引力波等的喧鬧世界（近年來，又增加了引力波這一手段）。為了尋覓這些電磁波和高能粒子中記錄的宇宙演化軌跡，各種觀測工具和手段也被相繼發(fā)明出來。

一、地球表面看宇宙：大氣屏障，干擾眾多

在近三百年各種觀測工具和手段發(fā)展過程中，最為人熟知的就是光學天文望遠鏡。尤其是伽利略改造出的首個天文望遠鏡，讓人類第一次看清了地球附近的天體。這種望遠鏡針對的就是人類肉眼最為熟悉的可見光頻段。

從地球表面觀測電磁波的頻譜窗口透明度，真正的有效觀測的窗口極?。▓D源：公共版權+本文注釋）

然而，一段時間后，科學家體會到了在地球表面觀測宇宙中電磁波和高能粒子的難度。地球的濃厚大氣、電離層、臭氧層和地磁場等“聯(lián)合”起來，阻擋了宇宙中絕大部分高能粒子和電磁波抵達地表，讓人類“失明”“失聰”，只在可見光和無線電波附近留下了極其狹窄的頻譜窗口可以讓人類觀察宇宙。

因此，人類修建的望遠鏡基本僅能集中于光學類和射電類，其中典型代表如我國的郭守敬望遠鏡和FAST“天眼”，前者集中觀測370-900納米波長的電磁波、主要為可見光，后者集中觀測10厘米-4.3米波長的無線電波。對于其他頻段的電磁波，往往缺少有效的辦法進行觀測。

**但即便如此，光學和射電望遠鏡的觀測也存在諸多不足。**氣象條件、大氣流動造成的“眨眼效應”和折射等現(xiàn)象，極大影響著可見光頻段的觀測。城鎮(zhèn)化進程帶來的光污染，大量人造地球衛(wèi)星反射光造成的污染，也成為天文學家近些年的“噩夢”。而對于觀測窗口相對較大的無線電波頻段，越來越廣泛、越來越強烈的移動通信、電視廣播等也造成了很大干擾，為了保證射電望遠鏡的正常觀測，往往還需要在附近建立巨大的“寧靜”區(qū)。

近些年讓天文學家頭疼的事情之一就是越來越多的低軌衛(wèi)星星座，圖為CTIO望遠鏡在觀測中被星鏈衛(wèi)星的干擾。圖中顯示的是2019年11月的情況，彼時，星鏈剛在起步測試階段，到未來完全建成后達到數(shù)萬顆，巨大影響不容忽視（圖源：CTIO）

**于是，很多天文學家很早就提出了將望遠鏡搬出大氣層、送入太空的想法。**但直到第二次世界大戰(zhàn)結束后，人類才開始基于德國V2火箭技術真正開始探索航天事業(yè)發(fā)展。1946年，著名天文學家萊曼·施皮茨在論文中全面論述了太空望遠鏡的優(yōu)勢。20世紀60年代起，美國國家航空航天局（NASA）和蘇聯(lián)太空計劃等進行了一系列太空望遠鏡實驗，例如1962-1972年間美國的軌道太陽天文臺系列任務，1965-1968年間蘇聯(lián)的質子宇宙射線和粒子探測系列衛(wèi)星，1973-1979年的美國天空實驗室空間站也攜帶了一個巨大的阿波羅太空望遠鏡。它們共同驗證了太空望遠鏡在太陽和更廣袤的宇宙觀測方面的巨大潛力，為人類開啟太空望遠鏡時代打下了堅實基礎。

人類主要太空望遠鏡任務和對應電磁波觀測頻段（圖源：公共版權+本文注釋）

二、太空望遠鏡：航天與天文學結合的極致

**早期的太空望遠鏡主要為解決地球上最難以實現(xiàn)的高頻電磁波和高能粒子的觀測問題，尤其是伽馬射線、X射線、紫外線和高能粒子等。**高頻電磁波和高能粒子往往代表著宇宙中最激烈的天文現(xiàn)象，例如伽馬射線暴反映出了大質量恒星塌縮為黑洞、中子星合并和超新星爆發(fā)等現(xiàn)象。事實證明，以康普頓、雨燕、錢德拉、費米等為代表的太空望遠鏡極大地助力了相關天文學研究的發(fā)展，這個領域也誕生了最多的太空望遠鏡。直到今天亦是如此，其中，我國近期發(fā)射的“慧眼”硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星和“悟空”暗物質粒子（高能粒子）探測衛(wèi)星，為這個領域做出了巨大的貢獻。

哈勃太空望遠鏡飛行時的全景圖（圖源：NASA）

**在可見光觀測方面，哈勃太空望遠鏡則成為了所有太空望遠鏡中的“超級明星”。**自1990年升空后，它已經(jīng)為人類服役了超過30年，極大地改變了人類天文學的發(fā)展進程，數(shù)以萬計的經(jīng)典圖片也成為了許多公眾關注天文學、喜歡天文學的契機。

它的成功，恰恰是人類航天技術與太空望遠鏡技術完美結合的最佳案例。一方面，軍方對光學類偵察衛(wèi)星（例如日冕、鎖眼）的需要和投入促成了一整套完善的高端產(chǎn)業(yè)鏈，例如珀金埃爾默、柯達、康寧等知名公司，它們可聯(lián)合生產(chǎn)大尺寸、高分辨率、多觀測頻段、極低膨脹率、質量低的鏡片；另一方面，航天飛機項目在20世紀70年代末已經(jīng)逐漸成型，它擁有超大尺寸的機艙（18.3米長、4.6米直徑）和約24噸近地軌道載重量，自身機動能力極強，可完成多種近地軌道任務。同時，它也是人類史上發(fā)射期間負荷和震動最小的航天器，使得可裝載載荷的設計空間大幅提升，更適合發(fā)射極其精密的太空望遠鏡。不僅如此，航天飛機還是人類史上唯一能進行大規(guī)模太空維修的航天器。我們回顧過去的時候更加確信，正是航天飛機這方面的能力多次拯救了哈勃太空望遠鏡。

為哈勃太空望遠鏡，NASA總共進行了六次航天飛機任務，付出了巨大代價

哈勃太空望遠鏡最初被設計為一個主鏡片直徑2.4米，擁有廣域和行星照相機、高解析度攝譜儀、高速光度計、暗天體照相機和暗天體攝譜儀等核心儀器的龐然大物。它長13.2米、直徑4.2米、總重11.1噸，運轉在傾角為28.5度的近地軌道。然而，當它被發(fā)射升空后，科學家們才發(fā)現(xiàn)珀金帕爾默生產(chǎn)的巨大主鏡片出了問題，鏡片邊緣和設計尺寸相比，少了2.2微米。雖然這僅是鏡片直徑的百萬分之一級別，但對于需要觀測動輒數(shù)億光年外天體的哈勃而言，完全無法接受。最后，科學家們做出的選擇是利用航天飛機在太空中直接維修，給近視眼的哈勃太空望遠鏡“戴”上一副“眼鏡”（太空望遠鏡光軸補償矯正系統(tǒng)COSTAR）。隨后，航天飛機多次維護和更新哈勃，幾乎在太空中重造了它，也使得它能工作至今，一次次攀登上人類天文學研究的高峰。目前，我國也計劃發(fā)射一個類似哈勃的巡天望遠鏡，長期與未來的天宮空間站共軌飛行。

凌星法探測系外行星效果，通過亮度變化確定行星出現(xiàn)（圖片修改自：NASA）

三、可見光和紅外觀測：洞察人類的未來

**可見光觀測也是人類探索遙遠地外生命存在可能性、尤其是系外行星的重要研究方式。**其中的典型代表是開普勒太空望遠鏡。它主要基于凌星法開展研究，即行星擋在恒星前面時，會導致恒星的亮度稍微降低，如果觀測到連續(xù)三次凌星，就可以確定它是顆凌星行星，從而得到它的軌道周期、大致大小等信息。開普勒望遠鏡發(fā)現(xiàn)并確認了近3000顆系外行星，占人類迄今為止所有發(fā)現(xiàn)的70%以上，甚至包括類似太陽系的開普勒-90星系（它與太陽系類似，而且也擁有八大行星）。毫不夸張地說，開普勒太空望遠鏡以一己之力改變了這個領域的發(fā)展。凌星法對光學觀測的精度要求頗高，像開普勒太空望遠鏡的觀測精度，就達到了驚人的0.01%星等。

**紅外線和微波觀測，也成為近些年太空望遠鏡發(fā)展的最熱門方向。**大家耳熟能詳?shù)挠钪嫖⒉ū尘拜椛浜图t外線背景輻射研究，就離不開斯皮茨、赫歇爾、威爾金森和普朗克等著名太空望遠鏡的觀測數(shù)據(jù)。這個領域也即將誕生人類歷史上最貴的太空望遠鏡——詹姆斯·韋布望遠鏡。這臺望遠鏡主要集中于觀測波長為0.6-28.3微米的紅外線頻段，目前預算已經(jīng)接近100億美元！當然，物有所值，在驚人的資金投入的支持下，它所使用的是一系列目前人類太空望遠鏡和航天領域的極致技術。

詹姆斯·韋布看起來猶如太空中的一艘巨型戰(zhàn)艦（圖片來源：NASA）

詹姆斯·韋布的鏡面設計要求是6.5米口徑，這個大小超過了火箭發(fā)射的尺寸限制。因此，科學家選擇的方案是加工18面一模一樣的六邊形，折疊起來，進入太空后再展開。這就導致鏡片必須用抗彎剛度高、熱穩(wěn)定性好、熱導率高、密度低的堿土金屬鈹制作，拋光精度更是要求達到10納米級！這相當于幾十個鈹原子擺在一起的寬度。它還需要攜帶一把五層“太陽傘”隔絕熱量，每層完全展開時占地大小有300平米左右，但厚度僅25微米或50微米（第一層），這個厚度甚至小于人的頭發(fā)直徑。

鏡子和遮陽板都需要先疊在一起，“塞”進火箭里，再被送到距離地球150萬千米外的日地拉格朗日L2點，最后，按要求展開。由于航天飛機早已全部退出歷史舞臺，詹姆斯·韋布太空望遠鏡也基本沒有太空維修的可能性。正因如此，預計將在2021年11月執(zhí)行發(fā)射任務的歐空局阿里安5火箭壓力可想而知。毫無疑問，順利發(fā)射、展開后，它將讓人類對宇宙的認知進入新的階段。

“地球是所有人類的搖籃”，她的質量約為太陽的33萬分之一，距離太陽約1.5億千米，光線約8分鐘即可抵達。而人類目前已觀測到的宇宙半徑，已經(jīng)達到了465億光年，這是光線用465億年跨過的旅程。由于宇宙膨脹，它甚至遠大于宇宙約138億年的壽命。雖然，地球只是太陽系中不起眼的暗淡藍點，而整個太陽系在宇宙中其實都無比渺小。但是，正如航天先驅齊奧爾科夫斯基對地球搖籃的下一句評論一樣，“人類不可能永遠生活在搖籃里”，我們需要將視線望向宇宙深空，我們必須將視線望向更遠的遠方，最終邁向星辰大海。太空望遠鏡，就是人類望向深空的眼睛，指引著我們前行的方向。