人类望向深空之眼——太空望近镜

进入产业革命期间后，人类的科学技能程度突飞大进，对宇宙的认知也快速提拔。曾经暗中幽深的宇宙，在科学家眼中已经酿成了满盈着种种电磁波、高能粒子和引力波等的热闹天下。为了寻找这些电磁波和高能粒子中记载的宇宙演化的轨迹，种种观察东西和本领也被相继发明出来。

一、地球外貌看宇宙：大气屏蔽，滋扰浩繁

在近三百年种种观察东西和本领进展历程中，最为人熟知的便是光学天文望远镜。尤其是伽利略改革出的首个天文望远镜，让人类第一次看清了地球周边的天体。这种望远镜针对的便是人类肉眼最为熟习的可见光频段。

从地球外貌观察电磁波的频谱窗口透亮度，真正的有用观察的窗口微小（图源：大众版权+本文解释）

然而，科学家很快意识到了在地球外貌观察宇宙中电磁波和高能粒子的难度。地球的深厚大气、电离层、臭氧层和地磁场等“团结”起来，拦截了宇宙中绝大部门高能粒子和电磁波抵达地表，让人类“失明”“失聪”，只在可见光和无线电波周边留下了极其局促的频谱窗口可以让人类观看宇宙。

是以，人类构筑的望远镜根本仅能会合于光学类和射电类，此中典范代表如我国的郭守敬望远镜和FAST“天眼”，前者会合观察370-900纳米波长的电磁波、重要为可见光，后者会合观察10厘米-4.3米波长的无线电波。对付其他频段的电磁波，每每没有有用的方法举行观察。

但即便云云，光学和射电望远镜的观察也存在诸多不敷。景象条件、大气流淌造成的“刺眼效应”和折射等征象，极大影响着可见光频段的观察。城镇化历程带来的光污染，乃至大量人造地球卫星反射光造成的污染，也成为天文学家近些年的“噩梦”。而对付观察窗口相对较大的无线电波频段，越来越遍及、越来越猛烈的移动通讯、电视广播等也造成了很大滋扰，为了包管射电望远镜的正常观察，每每还必要在周边创建庞大的“平静”区。

近些年让天文学家头疼的事变之一便是越来越多的低轨卫星星座，图为CTIO望远镜在观察中被星链卫星的滋扰。图中表现的是2019年11月的情形，彼时，星链刚在起步测试阶段，到将来完全建成后到达数万颗，庞大影响不容轻忽（图源：CTIO）

于是，许多天文学家很早就提出了将望远镜搬出大气层、送入太空的想法。但直到第二次天下大战完结后，人类才开始基于德国V2火箭技能真正开始探究航天奇迹进展。1946年，闻名天文学家莱曼·施皮茨在论文中全面叙述了太空望远镜的上风。20世纪60年月起，美国国度航空航天局（NASA）和苏联太空打算等举行了一系列太空望远镜试验，比方1962-1972年间美国的轨道太阳天文台系列使命，1965-1968年间苏联的质子宇宙射线和粒子探测系列卫星，1973-1979年的美国天空试验室空间站也携带了一个庞大的阿波罗太空望远镜。它们配合验证了太空望远镜在太阳和更广袤的宇宙观察方面的庞大潜力，为人类开启太空望远镜期间打下了坚固底子。

人类重要太空望远镜使命和对应电磁波观察频段（图源：大众版权+本文解释）

二、太空望远镜：航天与天文学联合的极致

早期的太空望远镜重要为办理地球上最难以实现的高频电磁波和高能粒子的观察题目，尤其是伽马射线、X射线、紫外线和高能粒子等。高频电磁波和高能粒子每每代表着宇宙中最猛烈的天文征象，比方伽马射线暴反应出了大质量恒星塌缩为黑洞、中子星归并和超新星发作等征象。究竟证明，以康普顿、雨燕、钱德拉、费米等为代表的太空望远镜极大地助力了相干天文学研究的进展，这个范畴也诞生了最多的太空望远镜。直到今日亦是云云，此中，我国近期放射的“慧眼”硬X射线调制望远镜卫星和“悟空”暗物质粒子（高能粒子）探测卫星，为这个范畴做出了庞大的奉献。

哈勃太空望远镜飞行时的全景图（图源：NASA）

在可见光观察方面，哈勃太空望远镜则成为了全部太空望远镜中的“超等明星”。自1990年升空后，它已经为人类服役了凌驾30年，极大地转变了人类天文学的进展历程，恒河沙数的经典图片也成为了很多民众存眷天文学、喜爱天文学的契机。

它的乐成，恰好是人类航天技能与太空望远镜技能完善联合的最佳案例。一方面，军方对光学类伺探卫星（比方日冕、锁眼）的必要和投入促成了一整套美满的高端财产链，比方珀金埃尔默、柯达、康宁等着名公司，它们可团结生产大尺寸、高辨别率、多观察频段、极低膨胀率、质量低的镜片；另一方面，航天飞机项目在20世纪70年月末已经渐渐成型，它拥有超大尺寸的机舱（18.3米长、4.6米直径）和约24吨近地轨道载重量，自身机动本领极强，可完成多种近地轨道使命。同时，它也是人类史上放射时期负荷和震惊最小的航天器，使得可装载载荷的设计空间大幅提拔，更得当放射极其周密的太空望远镜。不但云云，航天飞机照旧人类史上唯一能举行大范围太空修理的航天器。我们回忆已往的时间越发确信，正是航天飞机这方面的本领多次挽救了哈勃太空望远镜。

为哈勃太空望远镜，NASA统共举行了六次航天飞机使命，支付了庞大价钱

哈勃太空望远镜最初被设计为一个主镜片直径2.4米，拥有广域和行星拍照机、高剖析度摄谱仪、高速光度计、暗天体拍照机和暗天体摄谱仪等焦点仪器的庞然大物。它长13.2米、直径4.2米、总重11.1吨，运转在倾角为28.5度的近地轨道。然而，当它被放射升空后，科学家们才发觉珀金帕尔默生产的庞大主镜片出了题目，镜片边沿显现了2.2微米的偏差。固然这仅是镜片直径的百万分之一级别，但对付必要观察动辄数亿光年外天体的哈勃而言，完全无法担当。最终，科学家们做出的选择是使用航天飞机在太空中直接修理，给近视眼的哈勃太空望远镜“戴”上一副“眼镜”（太空望远镜光轴赔偿改正体系COSTAR）。随后，航天飞机多次维护和更新哈勃，险些在太空中重造了它，也使得它能事情至今，一次次攀缘上人类天文学研究的岑岭。现在，我国也打算放射一个雷同哈勃的巡天望远镜，恒久与将来的天宫空间站共轨飞行。

凌星法探测系生手星成效，通过亮度改变确定行星显现（图片修改自：NASA）

三、可见光和红表面测：洞察人类的将来

可见光观察也是人类探究迢遥地外生命存在大概性、尤其是系生手星的紧张研究方法。此中的典范代表是开普勒太空望远镜。它重要基于凌星法开展研究，即行星挡在恒星前面时，会导致恒星的亮度略微低落，假如观察到一连三次凌星，就可以确定它是颗凌星行星，从而得到它的轨道周期、大抵巨细等信息。开普勒望远镜发觉并确认了近3000颗系生手星，占人类迄今为止全部发觉的70%以上，乃至包罗雷同太阳系的开普勒-90星系（它与太阳系雷同，并且也拥有八大行星）。绝不浮夸得说，开普勒太空望远镜以一己之力转变了这个范畴的进展。凌星法对光学观察的精度要求颇高，像开普勒太空望远镜的观察精度，就到达了惊人的0.01%星等，这是大尺寸地面光学望远镜险些不行能实现的目的。

红外线和微波观察，也成为近些年太空望远镜进展的最热门偏向。家人们耳熟能详的宇宙微波配景辐射和红外线配景辐射研究，就离不开斯皮茨、赫歇尔、威尔金森和普朗克等闻名太空望远镜的观察数据。这个范畴也马上诞生人类汗青上最贵的太空望远镜——詹姆斯·韦布望远镜。这台望远镜重要会合于观察波长为0.6-28.3微米的红外线频段，现在预算已经靠近100亿美元！固然，物有所值，在惊人的资金投入的支持下，它所利用的是一系列现在人类太空望远镜和航天范畴的极致技能。

詹姆斯·韦布看起来如同太空中的一艘巨型战舰（图片泉源：NASA）

詹姆斯·韦布的镜面设计要求是6.5米口径，这个巨细凌驾了火箭放射的尺寸限定。是以，科学家选择的方案是加工18面千篇一律的六边形，折叠起来，进入太空后再睁开。这就导致镜片一定用抗弯刚度高、热稳健性好、热导率高、密度低的碱土金属铍制作，抛光精度更是要求到达10纳米级！这相称于几十个铍原子摆在一路的宽度。它还必要携带一把五层“太阳伞”阻遏热量，每层完全睁开时占地巨细有300平米左右，但厚度仅25微米或50微米（第一层），这个厚度乃至小于人的头发直径。

镜子和遮阳板都必要先叠在一路，“塞”进火箭里，再被送到间隔地球150万千米外的日地拉格朗日L2点，最终，按要求睁开。因为航天飞机早已全部退出汗青舞台，詹姆斯·韦布太空望远镜也根本没有太空修理的大概性。正因云云，估计将在2021年11月实行放射使命的欧空局阿里安5火箭压力可想而知。毫无疑问，顺遂放射、睁开后，它将让人类对宇宙的认知进入新的阶段。

“地球是全部人类的摇篮”，她的质量约为太阳的33万分之一，间隔太阳约1.5亿千米，光芒仅需8分钟即可抵达。而人类现在已观察到的宇宙半径，已经到达了465亿光年，这是光芒用465亿年跨过的路程。因为宇宙膨胀，它乃至弘远于宇宙约138亿年的寿命。固然，地球只是太阳系中不起眼的昏暗蓝点，而整个太阳系在宇宙中实在都无比眇小。

但是，正如航天先驱齐奥尔科夫斯基对地球摇篮的下一句批评一样，“人类不行能永久生存在摇篮里”，我们必要将视线望向宇宙深空，我们一定将视线望向更远的远方，终极迈向星辰大海。太空望远镜，便是人类望向深空的眼睛，指引着我们前行的偏向。

出品：科普中国

制作：太空精酿

监制：中国科学院盘算机网络信息中间

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