太空望远镜：朝代更替的大幕已然拉开

原文载《科技日报》，作者：张梦然 张巍巍
本帖转自http://digitalpaper.stdaily.com:81/kjrb/html/2010-08/24/content_72941.htm

登录/注册后可看大图 18世纪赫歇尔制造的望远镜。                                 登录/注册后可看大图 甚大阵射电望远镜。                                 登录/注册后可看大图 斯隆2.5米望远镜。                                 登录/注册后可看大图 　　威尔金森宇宙微波各向异性探测卫星

新视野
　　望向远方即望向历史，科学家们这样形容太空望远镜。因为光的速度，人类肉眼看过去一片漆黑之地，望远镜却找到了成千上万的星辰，它们只存在于宇宙历史的某刻。而借望远镜之眼，人们可以回眸这些过往，惊鸿一瞥，已然摄人心魄，见之忘俗。这大概是太空望远镜对人类的无价反馈，它让我们明白，其实并不是人类在对宇宙孜孜以求，而是宇宙的吸引让我们身不由己。

开拓者：演绎数百年变迁
　　一幅珍贵的图画，曾显示了1609年伽利略正在向当时威尼斯的统治者演示折射望远镜的场景。这是一部长约1.2米的简易光学系统——平凸透镜为物镜，凹透镜为目镜，焦距很长，但色差也较严重。伽利略本人不是望远镜的发明者，但伽利略式望远镜却是第一台瞄向太空的仪器，自此天文学迈进了望远镜时代。
　　在他之后，牛顿没有继续将玻璃透镜发扬光大，而是自己动手磨了一个弯曲的镜面，将光线反射到一个焦点之上，其将物体放大的倍数，比使用透镜要高出数倍，反射代替了折射。牛顿式反射望远镜虽然会产生一定的像差，但却消除了色差。
　　而大型反射望远镜的建造始祖，是18世纪晚期德国天文学家威廉·赫歇尔。他一生制作望远镜无数，其中最大的一台，镜面口径1.2米，非常之笨重，需要四个人合力操作。
　　进入19世纪末期后，制造较大口径的折射望远镜也成为可能，世界上现存70厘米以上折射望远镜8架，其中7架是在1885年到1897年间建成的。1895年，耶基斯折射望远镜的主透镜建成，这是当时世上最大的望远镜，至今坐落于美国威斯康星州耶基斯天文台。
　　但这之后，大型折射望远镜显露出弊端，技术上，人们无法铸造出大尺寸的完美玻璃透镜，而它的变形会在重力作用下更加明显而丧失焦点。1908年，美国天文学家海耳于威尔逊山建成了一台口径1.524米的反射望远镜，个头儿、光谱分析、视差测量，一时无两。但9年后，同样是威尔逊山，口径2.54米的胡克望远镜问世了，在它身上，光学干涉仪首次得到应用，使望远镜能精确测量恒星的大小和距离，亦使人类完成了恒星的分类、认识到银河系外星系以及宇宙在膨胀的事实。
　　胡克望远镜称霸行业三十几年，直到1948年，海耳5.08米巨型望远镜在帕洛马山天文台落成。而在美国贝尔电话实验研究所，研制出了能探测发现宇宙微波背景辐射的喇叭天线，它结构简单且易于控制，加上校正相位的反射面或透镜后，具有频带宽、效率高等特点。
　　在20世纪50年代，国际上开始形成几个射电天文中心，其中以英国的实力最强。为重夺领先地位，美国1981年终于在新墨西哥州建成了甚大阵射电望远镜（VLA）。这是由27台25米口径天线组成的阵列，每个天线重230吨且可在铁轨上移动。科学家借助它发现了水星上的水、银河系中的微类星体、遥远星系的爱因斯坦环以及伽马射线爆。
　　哈勃，这架1990年4月升空的望远镜，创造了一个无出其右的时代。它最成功的意义，在于取得了之前所有地基望远镜从来没有取得的革命性突破。当时最为清晰的火星星球、土星极光、海王星云层……无数前所未见之图片纷至沓来。甚至就在今年8月，哈勃还协同美国宇航局（NASA）的另两张王牌望远镜——钱德拉X射线太空望远镜与斯皮策红外太空望远镜，合拍出星系对撞后纠缠不休的景观。它几乎撰写了天文学史教科书，但作为一架太空望远镜，哈勃的工龄实在够长了，2009年NASA最后一次维修哈勃，并发回了一批它迄今拍到的最清晰宇宙照片，荡涤心灵的惊艳之作，让人们愈发难以割舍这位20年友伴的情谊。
　　英国《新科学家》杂志网络版曾评选出人类历史上最著名的望远镜，以上十台悉数入榜。其跨度之大，从17世纪直到20世纪90年代，而这些正是望远镜技术史上的10次节点。由它们开始，人类逐步触及宇宙洪荒的状态、揭开星系诞生的序幕、测算出宇宙的年龄、改写宇宙膨胀理论、推导出暗能量和暗物质……

探索者：看透亿万年风景
　　尽管无数的人们对以哈勃为代表的老牌天文望远镜感情深厚，但仍不得不承认，和那些“继任者”的华丽配置相比，“前辈”们不占优势。
　　美国宇航局：百花齐放
　　地基望远镜的新时代，由位于夏威夷莫纳克亚山的凯克望远镜开创。凯克总耗资1.3亿美元，口径10米，镜面由36块六边形分片组合而成，避开了单片望远镜口径超不过8.4米的技术掣肘。这台望远镜坐落之处高到人迹罕至，地面观测能力居然与在太空轨道运行的哈勃不相上下，而其规模是同类型“前辈”——海耳5.08米巨型望远镜的2倍，而在“海耳5.08米”称雄的岁月里，人们曾认为不可能制造出更大的望远镜。
　　在今年1月，研究人员综合了两台凯克望远镜的光线收集功率，使其叠加效果相当于一台85米超大口径的天文望远镜——这样的功率比目前甚至短期计划中的所有望远镜功率都要大，进而获得了距离地球约2100光年外一颗恒星稀少波段的测量结果。
　　从规模上来看，美国新墨西哥州阿柏角天文台的“斯隆数字天空勘测计划”2.5米望远镜没什么特别。但该望远镜配备有一个相当复杂的数字相机，能进行光谱观测。斯隆望远镜内部包含30个电荷耦合器件（CCD）探测器，测光系统分别位于u、g、r、i、z波段的五个滤镜对天体进行拍摄，图片经过处理之后生成天体的列表，形态、CCD亮度等各种参数，将直接显示出天体的类型和所在波段。
　　宇宙微波背景辐射的开山者是喇叭天线，而集大成者则是NASA于2001年7月发射的威尔金森宇宙微波各向异性探测卫星（WMAP）。这是研究宇宙大爆炸遗留物辐射问题的专家，目标是找出宇宙微波背景辐射的温度之间的微小差异，以帮助测试有关宇宙产生的各种理论，其精细复杂的全天扫描，做一次就需要6个月时间，但WMAP不负众望，由它绘制的首张清晰的宇宙微波背景图，使人们可以精确地测定宇宙的年龄为137亿年。
　　NASA的雨燕（Swift）观测卫星发射于2004年，能分别从伽马射线、X射线、紫外线和光波四个方面研究伽马射线暴和它的耀斑，不但可以检测到120亿光年以外单独的恒星参数，还可在短短的一分钟内自动观测到伽马暴现象。截止到2009年，“雨燕”已经发现了数百次此类现象，其中最短的伽马射线暴只持续了50毫秒。
　　NASA引以为傲的新一代望远镜，还包括钱德拉X射线空间望远镜、斯皮策红外太空望远镜，以及与欧洲、加拿大联合开发的詹姆斯·韦伯望远镜。
　　钱德拉1999年升空，服役时间不短，曾经创下领域许多第一。只不过，类似它与费米伽马射线望远镜这一类，致力于超大质量黑洞及暗物质的探测，短期内似乎很难拿出明确成果；斯皮策于2003年发射，一举成为NASA发射的四大太空望远镜之一，其以观测天体红外波段为绝活，有别于哈勃等老一代天文望远镜以光学观测为主；而詹姆斯·韦伯望远镜，还未问世就与凯克、哈勃、费米等望远镜齐名，被美国《大众机械》杂志盘点为世界功能最强的天文望远镜之一。计划中其将在2013年发射升空，目前关于它最引人关注的就是——“哈勃接替者”这个名号。

欧洲空间局：一枝独秀
　　赫歇尔红外太空望远镜，可谓集欧洲空间局（ESA）的万千宠爱于一身。
　　2009年5月14日这架望远镜发射升空，成为迄今为止人类发射的最大远红外线望远镜。赫歇尔镜面直径达到3.5米，是哈勃望远镜镜面直径的约1.5倍，是它的“前任”——欧空局1995年发射的远红外线望远镜的6倍。
　　欧空局对赫歇尔寄予厚望。升空一年后，在欧空局研讨会上，研究人员带来了赫歇尔的首次科研成果，其挑战了先前对于恒星起源的固有认知，为未来研究开启了新的道路。
　　在赫歇尔望远镜发回的一张图片上，显示了成千上万的远距离星系狂暴地构成了恒星，以及悬挂于银河系的美丽星云，其甚至捕捉到了一颗恒星正在形成的画面。这颗编号为RCW 120恒星星云揭示了一个即将在未来数十万年之内演变为银河系内最大、最耀眼恒星的新生恒星。其目前的质量已是太阳质量的8倍至10倍，并由约为太阳质量2000倍的气体和尘埃所包围。
　　马赛天体物理实验室的安妮·扎瓦格诺表示，大质量恒星十分稀有且寿命很短，捕获到其在形成过程中的图片可为解决长久困扰天文界的矛盾提供宝贵的机会。现在赫歇尔为科学家提供了一个绝好的、近距离探索大质量恒星起源的机会，科研人员可借助数据证实这些恒星如何颠覆了常规的理论。
　　另一张赫歇尔发回的照片展示了银河系中的部分“恒星摇篮”是怎样形成的。图片显示恒星胚胎首次出现在银河系间灼热的灰尘和气体的细丝内，这催生了数万恒星的诞生，并形成网络将银河系包裹其中。在恒星开始形成时，远红外波长向外放射，地球的大气可完全阻挡大部分这种波长的光，因此源自太空的观察也就显得至关重要。而赫歇尔能借助自身极高的分辨率和极强的敏感性，对银河系恒星形成的区域进行“普查”。
　　此外，赫歇尔望远镜也在探索银河系之外的深空，测量数千万距离为数亿光年的系外星系的红外线。目前，赫歇尔得到的结果显示，星系进化速率比人们预想的更快，因此挑战了人们之前的理解。天文学家之前相信，星系是以与之前近30亿年相同的速度形成了恒星。而赫歇尔证实了这一猜测并不正确。
　　宇宙中有许多堪称疯狂的自然活动，仍不被完全知晓。“赫歇尔将带领我们一探究竟。”英国加的夫大学的史蒂夫·伊莱斯如是说。
　　与此同时，欧空局还把赫歇尔望远镜作为探测分子的主要设备。赫歇尔已首次在太空中发现了带电的太空水。这种水与人们熟悉的固体冰、液态水和气态蒸气都不相同，属于一种新的水“态”，其在地球上不会自然生成。对于太空水的带电原因，科学家推测：“紫外线能穿过年轻恒星周围的气体云，借助辐射使云中的水分子失去电子，从而使水分子带有正电荷。”
　　从宏观到微观，赫歇尔的观测范围可谓无所不包。其可凭借尖端的仪器，探测到更多远红外线范围内的宇宙星体、尘埃和气体。谈及这架新一代望远镜的前景，欧洲航天局赫歇尔项目的参与者信心满满：“赫歇尔的任务才刚刚展开，其发现的宇宙奥秘将逐步展现在世人面前。”

时代在进步,本人在落后,撵不上了,哈哈

图呢？补充图集（每个新望远镜的图）就是精华，现在先高亮。

特别说明一下，Keck的叠加只能在一个方向上，在两台望远镜的连线方向，两台Keck的干涉效果，其综合孔径相当于85米望远镜（就是两台10米主镜的距离）

这个文章转的还不错，能再丰富丰富就好了

啊，和我的10X50比是不是差的很多呢？

特别说明一下，Keck的叠加只能在一个方向上，在两台望远镜的连线方向，两台Keck的干涉效果，其综合孔径相当 ...
gohomeman1 发表于 2010-8-29 17:30

                               
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    的确双单元干涉仪只能在一个方向上提高分辨率,不过考虑到天体视运动和基线投影方向的变化,可能最终分辨率的提高不会限制在一个方向吧,当然这也需要对干涉仪进行仔细的建模和小心的后期数据处理.或许射电那套东西还能用得上,特别是低频射电观测时候处理相位畸变的方法可能是具有一定参考价值的.不过干涉还是更看好VLT.愚见,恳请指正.

回复 11# shiaki

就只在连线方向上，当然干涉需要后期的复杂处理。这也是ESO为何在帕拉纳尔天文台要另外建设4台可移动的AT的原因。

相比于射电望远镜的超强综合孔径能力来（我不知道详细内容，我很奇怪为何能跨地域的组合起来），光学望远镜的干涉还是很受限制的，貌似现在都需要星光直接干涉，所以综合孔径其实是有限的。比起E-ELT这样的庞然大物来，显然成本上很有优势的，当然效率差很多。

学习了。。。。。。。。。。。。

目前阶段貌似科学家们感兴趣的波段已经不在可见光区域了
是不是观测可见光，哈勃就已经足够了呢

回复 14# inter06


    可见光是个狭窄的波段，提供信息量有限，但是能调取大众的胃口，能看到优美色彩的照片