聚焦太空望遠鏡:朝代更替的大幕已然拉開

2010/8/24   (7316)   原稿來源: http://big5.ce.cn/gate/big5/sc

望向遠方即望向歷史，科學家們這樣形容太空望遠鏡。因為光的速度，人類肉眼看過去一片漆黑之地，望遠鏡卻找到了成千上萬的星辰，它們只存在於宇宙歷史的某刻。而借望遠鏡之眼，人們可以回眸這些過往，驚鴻一瞥，已然攝人心魄，見之忘俗。這大概是太空望遠鏡對人類的無價反饋，它讓我們明白，其實並不是人類在對宇宙孜孜以求，而是宇宙的吸引讓我們身不由己。

開拓者：演繹數百年變遷

一幅珍貴的圖畫，曾顯示了1609年伽利略正在向當時威尼斯的統治者演示折射望遠鏡的場景。這是一部長約1.2米的簡易光學系統——平凸透鏡為物鏡，凹透鏡為目鏡，焦距很長，但色差也較嚴重。伽利略本人不是望遠鏡的發明者，但伽利略式望遠鏡卻是第一台瞄向太空的儀器，自此天文學邁進了望遠鏡時代。

在他之後，牛頓沒有繼續將玻璃透鏡發揚光大，而是自己動手磨了一個彎曲的鏡面，將光線反射到一個焦點之上，其將物體放大的倍數，比使用透鏡要高出數倍，反射代替了折射。牛頓式反射望遠鏡雖然會產生一定的像差，但卻消除了色差。

而大型反射望遠鏡的建造始祖，是18世紀晚期德國天文學家威廉·赫歇爾。他一生製作望遠鏡無數，其中最大的一台，鏡面口徑1.2米，非常之笨重，需要四個人合力操作。

進入19世紀末期後，製造較大口徑的折射望遠鏡也成為可能，世界上現存70釐米以上折射望遠鏡8架，其中7架是在1885年到1897年間建成的。1895年，耶基斯折射望遠鏡的主透鏡建成，這是當時世上最大的望遠鏡，至今坐落于美國威斯康星州耶基斯天文臺。

但這之後，大型折射望遠鏡顯露出弊端，技術上，人們無法鑄造出大尺寸的完美玻璃透鏡，而它的變形會在重力作用下更加明顯而喪失焦點。1908年，美國天文學家海耳于威爾遜山建成了一台口徑1.524米的反射望遠鏡，個頭兒、光譜分析、視差測量，一時無兩。但9年後，同樣是威爾遜山，口徑2.54米的胡克望遠鏡問世了，在它身上，光學干涉儀首次得到應用，使望遠鏡能精確測量恒星的大小和距離，亦使人類完成了恒星的分類、認識到銀河系外星系以及宇宙在膨脹的事實。

胡克望遠鏡稱霸行業三十幾年，直到1948年，海耳5.08米巨型望遠鏡在帕洛馬山天文臺落成。而在美國貝爾電話實驗研究所，研製出了能探測發現宇宙微波背景輻射的喇叭天線，它結構簡單且易於控制，加上校正相位的反射面或透鏡後，具有頻帶寬、效率高等特點。

在20世紀50年代，國際上開始形成幾個射電天文中心，其中以英國的實力最強。為重奪領先地位，美國1981年終於在新墨西哥州建成了甚大陣射電望遠鏡(VLA)。這是由27台25米口徑天線組成的陣列，每個天線重230噸且可在鐵軌上移動。科學家借助它發現了水星上的水、銀河系中的微類星體、遙遠星系的愛因斯坦環以及伽馬射線爆。

哈勃，這架1990年4月升空的望遠鏡，創造了一個無出其右的時代。它最成功的意義，在於取得了之前所有地基望遠鏡從來沒有取得的革命性突破。當時最為清晰的火星星球、土星極光、海王星雲層……無數前所未見之圖片紛至遝來。甚至就在今年8月，哈勃還協同美國宇航局(NASA)的另兩張王牌望遠鏡——錢德拉X射線太空望遠鏡與斯皮策紅外太空望遠鏡，合拍出星系對撞後糾纏不休的景觀。它幾乎撰寫了天文學史教科書，但作為一架太空望遠鏡，哈勃的工齡實在夠長了，2009年NASA最後一次維修哈勃，併發回了一批它迄今拍到的最清晰宇宙照片，蕩滌心靈的驚艷之作，讓人們愈發難以割捨這位20年友伴的情誼。

英國《新科學家》雜誌網路版曾評選出人類歷史上最著名的望遠鏡，以上十台悉數入榜。其跨度之大，從17世紀直到20世紀90年代，而這些正是望遠鏡技術史上的10次節點。由它們開始，人類逐步觸及宇宙洪荒的狀態、揭開星系誕生的序幕、測算出宇宙的年齡、改寫宇宙膨脹理論、推導出暗能量和暗物質……

探索者：看透億萬年風景

儘管無數的人們對以哈勃為代表的老牌天文望遠鏡感情深厚，但仍不得不承認，和那些“繼任者”的華麗配置相比，“前輩”們不佔優勢。

美國宇航局：百花齊放

地基望遠鏡的新時代，由位於夏威夷莫納克亞山的凱克望遠鏡開創。凱克總耗資1.3億美元，口徑10米，鏡面由36塊六邊形分片組合而成，避開了單片望遠鏡口徑超不過8.4米的技術掣肘。這臺望遠鏡坐落之處高到人跡罕至，地面觀測能力居然與在太空軌道運行的哈勃不相上下，而其規模是同類型“前輩”——海耳5.08米巨型望遠鏡的2倍，而在“海耳5.08米”稱雄的歲月裏，人們曾認為不可能製造出更大的望遠鏡。

在今年1月，研究人員綜合了兩台凱克望遠鏡的光線收集功率，使其疊加效果相當於一台85米超大口徑的天文望遠鏡——這樣的功率比目前甚至短期計劃中的所有望遠鏡功率都要大，進而獲得了距離地球約2100光年外一顆恒星稀少波段的測量結果。

從規模上來看，美國新墨西哥州阿柏角天文臺的“斯隆數字天空勘測計劃”2.5米望遠鏡沒什麼特別。但該望遠鏡配備有一個相當複雜的數字相機，能進行光譜觀測。斯隆望遠鏡內部包含30個電荷耦合器件(CCD)探測器，測光系統分別位於u、g、r、i、z波段的五個濾鏡對天體進行拍攝，圖片經過處理之後生成天體的列表，形態、CCD亮度等各種參數，將直接顯示出天體的類型和所在波段。

宇宙微波背景輻射的開山者是喇叭天線，而集大成者則是NASA于2001年7月發射的威爾金森宇宙微波各向異性探測衛星(WMAP)。這是研究宇宙大爆炸遺留物輻射問題的專家，目標是找出宇宙微波背景輻射的溫度之間的微小差異，以幫助測試有關宇宙產生的各種理論，其精細複雜的全天掃描，做一次就需要6個月時間，但WMAP不負眾望，由它繪製的首張清晰的宇宙微波背景圖，使人們可以精確地測定宇宙的年齡為137億年。

NASA的雨燕(Swift)觀測衛星發射于2004年，能分別從伽馬射線、X射線、紫外線和光波四個方面研究伽馬射線暴和它的耀斑，不但可以檢測到120億光年以外單獨的恒星參數，還可在短短的一分鐘內自動觀測到伽馬暴現象。截止到2009年，“雨燕”已經發現了數百次此類現象，其中最短的伽馬射線暴只持續了50毫秒。

NASA引以為傲的新一代望遠鏡，還包括錢德拉X射線空間望遠鏡、斯皮策紅外太空望遠鏡，以及與歐洲、加拿大聯合開發的詹姆斯·韋伯望遠鏡。

錢德拉1999年升空，服役時間不短，曾經創下領域許多第一。只不過，類似它與費米伽馬射線望遠鏡這一類，致力於超大品質黑洞及暗物質的探測，短期內似乎很難拿出明確成果；斯皮策于2003年發射，一舉成為NASA發射的四大太空望遠鏡之一，其以觀測天體紅外波段為絕活，有別於哈勃等老一代天文望遠鏡以光學觀測為主；而詹姆斯·韋伯望遠鏡，還未問世就與凱克、哈勃、費米等望遠鏡齊名，被美國《大眾機械》雜誌盤點為世界功能最強的天文望遠鏡之一。計劃中其將在2013年發射升空，目前關於它最引人關注的就是——“哈勃接替者”這個名號。

歐洲空間局：一枝獨秀

赫歇爾紅外太空望遠鏡，可謂集歐洲空間局(ESA)的萬千寵愛于一身。

2009年5月14日這架望遠鏡發射升空，成為迄今為止人類發射的最大遠紅外線望遠鏡。赫歇爾鏡面直徑達到3.5米，是哈勃望遠鏡鏡面直徑的約1.5倍，是它的“前任”——歐空局1995年發射的遠紅外線望遠鏡的6倍。

歐空局對赫歇爾寄予厚望。升空一年後，在歐空局研討會上，研究人員帶來了赫歇爾的首次科研成果，其挑戰了先前對於恒星起源的固有認知，為未來研究開啟了新的道路。

在赫歇爾望遠鏡發回的一張圖片上，顯示了成千上萬的遠距離星系狂暴地構成了恒星，以及懸挂于銀河系的美麗星雲，其甚至捕捉到了一顆恒星正在形成的畫面。這顆編號為RCW 120恒星星雲揭示了一個即將在未來數十萬年之內演變為銀河系內最大、最耀眼恒星的新生恒星。其目前的品質已是太陽品質的8倍至10倍，並由約為太陽品質2000倍的氣體和塵埃所包圍。

馬賽天體物理實驗室的安妮·扎瓦格諾表示，大品質恒星十分稀有且壽命很短，捕獲到其在形成過程中的圖片可為解決長久困擾天文界的矛盾提供寶貴的機會。現在赫歇爾為科學家提供了一個絕好的、近距離探索大品質恒星起源的機會，科研人員可借助數據證實這些恒星如何顛覆了常規的理論。

另一張赫歇爾發回的照片展示了銀河系中的部分“恒星搖籃”是怎樣形成的。圖片顯示恒星胚胎首次出現在銀河系間灼熱的灰塵和氣體的細絲內，這催生了數萬恒星的誕生，並形成網路將銀河系包裹其中。在恒星開始形成時，遠紅外波長向外放射，地球的大氣可完全阻擋大部分這種波長的光，因此源自太空的觀察也就顯得至關重要。而赫歇爾能借助自身極高的解析度和極強的敏感性，對銀河系恒星形成的區域進行“普查”。

此外，赫歇爾望遠鏡也在探索銀河系之外的深空，測量數千萬距離為數億光年的係外星系的紅外線。目前，赫歇爾得到的結果顯示，星系進化速率比人們預想的更快，因此挑戰了人們之前的理解。天文學家之前相信，星系是以與之前近30億年相同的速度形成了恒星。而赫歇爾證實了這一猜測並不正確。

宇宙中有許多堪稱瘋狂的自然活動，仍不被完全知曉。“赫歇爾將帶領我們一探究竟。”英國加的夫大學的史蒂夫·伊萊斯如是說。

與此同時，歐空局還把赫歇爾望遠鏡作為探測分子的主要設備。赫歇爾已首次在太空中發現了帶電的太空水。這種水與人們熟悉的固體冰、液態水和氣態蒸氣都不相同，屬於一種新的水“態”，其在地球上不會自然生成。對於太空水的帶電原因，科學家推測：“紫外線能穿過年輕恒星周圍的氣體雲，借助輻射使雲中的水分子失去電子，從而使水分子帶有正電荷。”

從宏觀到微觀，赫歇爾的觀測範圍可謂無所不包。其可憑藉尖端的儀器，探測到更多遠紅外線範圍內的宇宙星體、塵埃和氣體。談及這架新一代望遠鏡的前景，歐洲航太局赫歇爾項目的參與者信心滿滿：“赫歇爾的任務才剛剛展開，其發現的宇宙奧秘將逐步展現在世人面前。”