你对宇宙的认识,离不开这些“深空之眼”
发布时间:2021-03-24
出品:科普中国
制作:太空精酿
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  进入工业革命时代后,人类的科学技术水平突飞猛进,对宇宙的认知也快速提升。曾经黑暗幽深的宇宙,在科学家眼中已经变成了充斥着各种电磁波、高能粒子和引力波等的喧闹世界(近年来,又增加了引力波这一手段)。为了寻觅这些电磁波和高能粒子中记录的宇宙演化轨迹,各种观测工具和手段也被相继发明出来。

  一、地球表面看宇宙:大气屏障,干扰众多

  在近三百年各种观测工具和手段发展过程中,最为人熟知的就是光学天文望远镜。尤其是伽利略改造出的首个天文望远镜,让人类第一次看清了地球附近的天体。这种望远镜针对的就是人类肉眼最为熟悉的可见光频段。

  

  从地球表面观测电磁波的频谱窗口透明度,真正的有效观测的窗口极小(图源:公共版权+本文注释)

  然而,一段时间后,科学家体会到了在地球表面观测宇宙中电磁波和高能粒子的难度。地球的浓厚大气、电离层、臭氧层和地磁场等“联合”起来,阻挡了宇宙中绝大部分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附近留下了极其狭窄的频谱窗口可以让人类观察宇宙。

  因此,人类修建的望远镜基本仅能集中于光学类和射电类,其中典型代表如我国的郭守敬望远镜和FAST“天眼”,前者集中观测370-900纳米波长的电磁波、主要为可见光,后者集中观测10厘米-4.3米波长的无线电波。对于其他频段的电磁波,往往缺少有效的办法进行观测。

  但即便如此,光学和射电望远镜的观测也存在诸多不足。气象条件、大气流动造成的“眨眼效应”和折射等现象,极大影响着可见光频段的观测。城镇化进程带来的光污染,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”。而对于观测窗口相对较大的无线电波频段,越来越广泛、越来越强烈的移动通信、电视广播等也造成了很大干扰,为了保证射电望远镜的正常观测,往往还需要在附近建立巨大的“宁静”区。

  

  近些年让天文学家头疼的事情之一就是越来越多的低轨卫星星座,图为CTIO望远镜在观测中被星链卫星的干扰。图中显示的是201911月的情况,彼时,星链刚在起步测试阶段,到未来完全建成后达到数万颗,巨大影响不容忽视(图源:CTIO

  于是,很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。但直到第二次世界大战结束后,人类才开始基于德国V2火箭技术真正开始探索航天事业发展。1946年,著名天文学家莱曼·施皮茨在论文中全面论述了太空望远镜的优势。20世纪60年代起,美国国家航空航天局(NASA)和苏联太空计划等进行了一系列太空望远镜实验,例如1962-1972年间美国的轨道太阳天文台系列任务,1965-1968年间苏联的质子宇宙射线和粒子探测系列卫星,1973-1979年的美国天空实验室空间站也携带了一个巨大的阿波罗太空望远镜。它们共同验证了太空望远镜在太阳和更广袤的宇宙观测方面的巨大潜力,为人类开启太空望远镜时代打下了坚实基础。

  

  人类主要太空望远镜任务和对应电磁波观测频段(图源:公共版权+本文注释)

  二、太空望远镜:航天与天文学结合的极致

  早期的太空望远镜主要为解决地球上最难以实现的高频电磁波和高能粒子的观测问题,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往往代表着宇宙中最激烈的天文现象,例如伽马射线暴反映出了大质量恒星塌缩为黑洞、中子星合并和超新星爆发等现象。事实证明,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关天文学研究的发展,这个领域也诞生了最多的太空望远镜。直到今天亦是如此,其中,我国近期发射的“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,为这个领域做出了巨大的贡献。

  

  哈勃太空望远镜飞行时的全景图(图源:NASA

  在可见光观测方面,哈勃太空望远镜则成为了所有太空望远镜中的“超级明星”。1990年升空后,它已经为人类服役了超过30年,极大地改变了人类天文学的发展进程,数以万计的经典图片也成为了许多公众关注天文学、喜欢天文学的契机。

  它的成功,恰恰是人类航天技术与太空望远镜技术完美结合的最佳案例。一方面,军方对光学类侦察卫星(例如日冕、锁眼)的需要和投入促成了一整套完善的高端产业链,例如珀金埃尔默、柯达、康宁等知名公司,它们可联合生产大尺寸、高分辨率、多观测频段、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年代末已经逐渐成型,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,自身机动能力极强,可完成多种近地轨道任务。同时,它也是人类史上发射期间负荷和震动最小的航天器,使得可装载载荷的设计空间大幅提升,更适合发射极其精密的太空望远镜。不仅如此,航天飞机还是人类史上唯一能进行大规模太空维修的航天器。我们回顾过去的时候更加确信,正是航天飞机这方面的能力多次拯救了哈勃太空望远镜。

  

  为哈勃太空望远镜,NASA总共进行了六次航天飞机任务,付出了巨大代价

   哈勃太空望远镜最初被设计为一个主镜片直径2.4米,拥有广域和行星照相机、高解析度摄谱仪、高速光度计、暗天体照相机和暗天体摄谱仪等核心仪器的庞然大物。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,当它被发射升空后,科学家们才发现珀金帕尔默生产的巨大主镜片出了问题,镜片边缘和设计尺寸相比,少了2.2微米。虽然这仅是镜片直径的百万分之一级别,但对于需要观测动辄数亿光年外天体的哈勃而言,完全无法接受。最后,科学家们做出的选择是利用航天飞机在太空中直接维修,给近视眼的哈勃太空望远镜“戴”上一副“眼镜”(太空望远镜光轴补偿矫正系统COSTAR)。随后,航天飞机多次维护和更新哈勃,几乎在太空中重造了它,也使得它能工作至今,一次次攀登上人类天文学研究的高峰。目前,我国也计划发射一个类似哈勃的巡天望远镜,长期与未来的天宫空间站共轨飞行。

  

  凌星法探测系外行星效果,通过亮度变化确定行星出现(图片修改自:NASA

  三、可见光和红外观测:洞察人类的未来

  可见光观测也是人类探索遥远地外生命存在可能性、尤其是系外行星的重要研究方式。其中的典型代表是开普勒太空望远镜。它主要基于凌星法开展研究,即行星挡在恒星前面时,会导致恒星的亮度稍微降低,如果观测到连续三次凌星,就可以确定它是颗凌星行星,从而得到它的轨道周期、大致大小等信息。开普勒望远镜发现并确认了近3000颗系外行星,占人类迄今为止所有发现的70%以上,甚至包括类似太阳系的开普勒-90星系(它与太阳系类似,而且也拥有八大行星)。毫不夸张说,开普勒太空望远镜以一己之力改变了这个领域的发展。凌星法对光学观测的精度要求颇高,像开普勒太空望远镜的观测精度,就达到了惊人的0.01%星等。

  红外线和微波观测,也成为近些年太空望远镜发展的最热门方向。大家耳熟能详的宇宙微波背景辐射和红外线背景辐射研究,就离不开斯皮茨、赫歇尔、威尔金森和普朗克等著名太空望远镜的观测数据。这个领域也即将诞生人类历史上最贵的太空望远镜——詹姆斯·韦布望远镜。这台望远镜主要集中于观测波长为0.6-28.3微米的红外线频段,目前预算已经接近100亿美元!当然,物有所值,在惊人的资金投入的支持下,它所使用的是一系列目前人类太空望远镜和航天领域的极致技术。

  

  詹姆斯·韦布看起来犹如太空中的一艘巨型战舰(图片来源:NASA

  詹姆斯·韦布的镜面设计要求是6.5米口径,这个大小超过了火箭发射的尺寸限制。因此,科学家选择的方案是加工18面一模一样的六边形,折叠起来,进入太空后再展开。这就导致镜片必须用抗弯刚度高、热稳定性好、热导率高、密度低的碱土金属铍制作,抛光精度更是要求达到10纳米级!这相当于几十个铍原子摆在一起的宽度。它还需要携带一把五层“太阳伞”隔绝热量,每层完全展开时占地大小有300平米左右,但厚度仅25微米或50微米(第一层),这个厚度甚至小于人的头发直径。

  镜子和遮阳板都需要先叠在一起,“塞”进火箭里,再被送到距离地球150万千米外的日地拉格朗日L2点,最后,按要求展开。由于航天飞机早已全部退出历史舞台,詹姆斯·韦布太空望远镜也基本没有太空维修的可能性。正因如此,预计将在202111月执行发射任务的欧空局阿里安5火箭压力可想而知。毫无疑问,顺利发射、展开后,它将让人类对宇宙的认知进入新的阶段。

  “地球是所有人类的摇篮”,她的质量约为太阳的33万分之一,距离太阳约1.5亿千米,光线约8分钟即可抵达。而人类目前已观测到的宇宙半径,已经达到了465亿光年,这是光线用465亿年跨过的旅程。由于宇宙膨胀,它甚至远大于宇宙约138亿年的寿命。虽然,地球只是太阳系中不起眼的暗淡蓝点,而整个太阳系在宇宙中其实都无比渺小。但是,正如航天先驱齐奥尔科夫斯基对地球摇篮的下一句评论一样,“人类不可能永远生活在摇篮里”,我们需要将视线望向宇宙深空,我们必须将视线望向更远的远方,最终迈向星辰大海。太空望远镜,就是人类望向深空的眼睛,指引着我们前行的方向。

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