從地面望遠(yuǎn)鏡到空間望遠(yuǎn)鏡

陳厚尊

空間望遠(yuǎn)鏡泛指放置于宇宙空間的一類特殊的天文望遠(yuǎn)鏡，其中名氣最大的當(dāng)屬美國航空航天局（NASA）旗下的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。這一方面當(dāng)然是因為哈勃空間望遠(yuǎn)鏡項目耗資巨大，據(jù)說前前后后的投資已超過100億美元，發(fā)射與維護過程更是幾經(jīng)波折;更重要的還在于哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的工作波段涵蓋了可見光部分，其經(jīng)過特殊處理后的成圖極具美感，自成一派。在天文愛好者圈子里廣泛流行的“哈勃色”，即是一種因模仿NASA處理哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的星云照片而誕生的色彩合成法。相較之下，工作于紅外波段的斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡和工作于伽馬波段的康普頓伽馬射線天文臺就沒有那么家喻戶曉了。

有人將空間望遠(yuǎn)鏡的誕生視為繼伽利略發(fā)明天文望遠(yuǎn)鏡之后天文學(xué)發(fā)展史上的又一座重大的里程碑，因為它幫助人類擺脫了觀天視線上的最后一層屏障——大氣層，使得望遠(yuǎn)鏡的實際分辨率最大程度上逼近其理論分辨率。這是一項了不起的成就。為了更清楚地了解這項技術(shù)背后非凡的意義，我們還是要從望遠(yuǎn)鏡的分辨率與口徑間的關(guān)系說起。

對一架天文望遠(yuǎn)鏡來說，最能表征其性能的參數(shù)便是口徑，也就是物鏡端的直徑大小，通常用毫米或者米來表示。這是因為對望遠(yuǎn)鏡而言，最重要的不是它的放大能力（顯微系統(tǒng)似乎更看重這個），而是收集暗弱光線的能力——后者由望遠(yuǎn)鏡的口徑來決定。同樣一個觀測目標(biāo)，在口徑較大的望遠(yuǎn)鏡下的觀感就像視網(wǎng)膜屏上的高清圖片，即使沒有很高的放大率也能呈現(xiàn)出不錯的觀賞效果;而在口徑較小的望遠(yuǎn)鏡下的觀感則像是打了馬賽克的小分辨率圖片，即使我們可以通過選擇焦段更短的目鏡以增加其放大率，也無濟于事。

天文望遠(yuǎn)鏡的理論分辨率通常用角秒來表征。在天文學(xué)中，角秒是一個常見的角度概念，1度=3600角秒。這里，我列出幾個數(shù)據(jù)以供參考：人的正常裸眼分辨率在60角秒左右，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的理論分辨率為0.06角秒，詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的理論分辨率為0.02角秒，太陽系大行星的視直徑多在2角秒至40角秒，典型的光學(xué)雙星間距多在0.5角秒至20角秒。

一般來說，大氣層對天文觀測的影響主要表現(xiàn)在兩方面：一是大氣的消光作用;二是因大氣流動導(dǎo)致的成像品質(zhì)下降。即使是一臺已經(jīng)冷卻完畢、與周圍環(huán)境達(dá)到熱學(xué)平衡的望遠(yuǎn)鏡，其鏡筒上空不斷擾動的氣團也會讓成像發(fā)生不規(guī)則的抖動和扭曲，產(chǎn)生的效果就像是隔著煙囪或流水觀察目標(biāo)。對天文臺級別的大口徑望遠(yuǎn)鏡來說，糟糕的視寧度會更多地讓原本清晰銳利的星點發(fā)生彌散，變得好像小絨球那樣，模糊掉一些本該有的細(xì)節(jié)。天文學(xué)上用于定量描述大氣穩(wěn)定程度

的數(shù)值被稱為大氣視寧度，可以用星點的彌散度來表示（單位是角秒）。在通常的靜穩(wěn)大氣條件下，這個數(shù)值都徘徊在1角秒至2角秒之間。當(dāng)然，該數(shù)據(jù)也會因地而異、因時而異。條件較差的地方也許常年都在2角秒以上，條件較好的地方或許時常小于0.8角秒。鑒于此，當(dāng)?shù)氐囊晫幎韧ǔ６际堑孛嫣煳呐_在選址時必須考察的重要指標(biāo)之一（當(dāng)然，晴天率、濕度和交通便利性也同等重要）。比如夏威夷島上的莫納克亞火山山頂就是全世界公認(rèn)的視寧度最佳的地方，據(jù)說經(jīng)常出現(xiàn)優(yōu)于0.3角秒的絕佳視寧度，堪稱觀天者的奧林匹斯山。如今，那里已經(jīng)成了現(xiàn)代大型望遠(yuǎn)鏡的薈萃之地。

關(guān)于空間望遠(yuǎn)鏡的構(gòu)想最早可以追溯至1946年美國天文學(xué)家萊曼·斯皮策的一篇論文：《在地球之外的天文觀測優(yōu)勢》。上文提到的斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡正是以此君命名。在這篇論文中，斯皮策指出了空間天文臺的兩大優(yōu)勢：其一，徹底擺脫閃爍不定的大氣影響，充分利用望遠(yuǎn)鏡的理論分辨率;其二，太空中的望遠(yuǎn)鏡可自由觀測大氣窗口之外的電磁信息，比如紫外線、遠(yuǎn)紅外線等。此后，斯皮策一直致力空間望遠(yuǎn)鏡事業(yè)的推進(jìn)。無奈，當(dāng)時的人類尚不具備將人造物體送上

近地軌道的能力，因此空間望遠(yuǎn)鏡只能停留于理論階段。直到1957年10月4日，蘇聯(lián)將第一顆人造衛(wèi)星送入太空以后，空間望遠(yuǎn)鏡的建造計劃才被正式列入日程。從20世紀(jì)60年代起，NASA陸續(xù)試水了兩組軌道天文臺，第一組因電池失效而失敗，第二組獲得了成功，這極大地激發(fā)了公眾對大型空間望遠(yuǎn)鏡項目的支持。因此，NASA于1968年確定了一項在太空中建造口徑3米的反射鏡的計劃，當(dāng)時的名稱是大型空間望遠(yuǎn)鏡。這臺望遠(yuǎn)鏡運行于近地軌道，需有人維護。而同步發(fā)展的可重復(fù)航天飛機項目使得該設(shè)想成為可能。20世紀(jì)70年代，由于政府開支緊縮，大型空間望遠(yuǎn)鏡計劃面臨流產(chǎn)。天文學(xué)家為此多方奔走，才終于保住了原有預(yù)算的一半。如此一來，鏡片的口徑就由3米縮減為后來的2.4米。新的空間望遠(yuǎn)鏡被正式命名為“哈勃”，以紀(jì)念20世紀(jì)初那位偉大的天文學(xué)家。從1979年開始，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的主鏡片正式進(jìn)入打磨拋光工序，可是由于種種原因，發(fā)射日期被一再推遲。1990年4月24日，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡終于搭乘“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機升空，進(jìn)入離地面540千米的近地軌道?！肮睆拇碎_始向世人展現(xiàn)出它無與倫比的科研價值。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡升空后最早做出的一項成果便是精確測定哈勃常數(shù)的大小。在標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型中，這是一個與宇宙年齡有關(guān)的重要常數(shù)。在“哈勃”升空以前，天文學(xué)家通過地面觀測取得的哈勃常數(shù)的誤差多徘徊在50%。這意味著當(dāng)時的天文學(xué)家只能將宇宙年齡確定在100億年至200億年之間。而哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的觀測將上述誤差一下子縮小到了10%以內(nèi)，這與后來通過其他技術(shù)手段獲得的137億年的數(shù)值相符。時至今日，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡已在軌運行了26年，遠(yuǎn)超當(dāng)初15年的設(shè)計壽命。其間，“哈勃”平均每月向地面?zhèn)鬏?29GB的數(shù)據(jù)，累計已超過100TB。直接或間接通過哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的成果而發(fā)表的論文數(shù)目超過了13000篇，包括幾項問鼎諾貝爾獎的成果。

如今，“哈勃”已垂垂老矣。但幸運的是，2016年11月2日，NASA的現(xiàn)任局長查爾斯·博爾登宣布：經(jīng)過20多年的不懈努力，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的接班人——詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡——終于建造完成，將進(jìn)入測試和轉(zhuǎn)運階段，并計劃于2018年10月在法屬圭亞那，通過歐空局的“阿里安5”號大型運載火箭發(fā)射升空。

韋伯空間望遠(yuǎn)鏡雖被冠以“哈勃繼任者”的稱號，但那不過是NASA為尋求公眾的財政支持而拉的一個幌子罷了。事實上，除了它們都叫空間望遠(yuǎn)鏡之外，二者的相似點很少。首先，韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的工作波段為0.6微米至28.5微米，這主要是近紅外和中紅外波段，勉強包括了紅到紅橙部分的可見光。相較之下，“哈勃”的工作波段為近紅外到紫外部分，將全部的可見光囊括在內(nèi)?！绊f伯”的主鏡之所以被鍍成了顯眼的金色，是因為金元素對紅外光的反射率比“哈勃”的銀色鋁膜高。其次，韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的軌道高度比“哈勃”高得多。這仍是考慮到韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的工作波段需要避開地球與太陽這兩個強大的干擾源，其自身散發(fā)的紅外干擾也需要減弱。為此，NASA不得不將韋伯空間望遠(yuǎn)鏡放置在日地系統(tǒng)的第二拉格朗日點附近。這個地點處在日地連線的延長線上，距離地球150萬千米，這相當(dāng)于月球到地球距離的4倍。根據(jù)開普勒第三定律，離太陽越遠(yuǎn)的天體繞日周期也越長。另一方面，若增加來自太陽方向的引力，天體的繞日周期又會

縮短。這使得第二拉格朗日點附近的力學(xué)情況達(dá)到了某種平衡。在這里，地球與太陽引力疊加導(dǎo)致的周期縮短效應(yīng)，恰好彌補了其遠(yuǎn)離太陽而導(dǎo)致的周期延長效應(yīng)，因此附近天體的繞日周期也是一年，從地球上看去，它好像是一個固定不動的點。在那里，碩大的地影常年遮蔽約83%的太陽表面，只留下一輪日環(huán)，就好像地球上看到的日環(huán)食那樣。如此天然的冷卻優(yōu)勢，再配合主鏡背后那五層碩大的遮陽板，就可以將韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的“體溫”降至50K以下，使之成為一臺高度靈敏的紅外線接收裝置。

不過，韋伯空間望遠(yuǎn)鏡并不會被嚴(yán)格放置于日地系統(tǒng)的第二拉格朗日點上，而是運行在一個環(huán)繞第二拉格朗日點的圓形軌道上，軌道半徑約80萬千米，軌道平面同黃道面斜交一個角度，環(huán)繞周期為半年。這個奇特的軌道設(shè)計被稱為暈軌道，最早由天才的NASA軌道設(shè)計專家羅伯特·法庫爾提出。這樣做有兩個好處，一是克服了韋伯空間望遠(yuǎn)鏡面向地球發(fā)送數(shù)據(jù)時的日凌難題;二是大大擴展了適合韋伯空間望遠(yuǎn)鏡觀測的天區(qū)范圍。不過，這樣的軌道設(shè)計也意味著韋伯空間望遠(yuǎn)鏡項目必須一次成功，不能出現(xiàn)像哈勃空間望遠(yuǎn)鏡那樣的意外情況，因為宇航員絕不可能前往那么遙遠(yuǎn)而寒冷的地方對其進(jìn)行維護與修復(fù)。

受到遮陽板和太陽方向的雙重影響，適合韋伯空間望遠(yuǎn)鏡觀測的天區(qū)和目標(biāo)也是隨時變化的。粗略地講，靠近黃道的目標(biāo)適宜觀測的時間最短，每年只有兩段窗口期，每段窗口期有53天。黃緯越高的天體每年適宜觀測的時間也越長，黃緯45°的天體每年只有一段窗口期，190天。黃緯85°以上的天體，全年均可觀測。

為了將重達(dá)6.5噸的韋伯空間望遠(yuǎn)鏡送到那樣一個遙遠(yuǎn)而寒冷的地方，NASA甚至動用了“阿里安5”號這樣的大型運載火箭。韋伯空間望遠(yuǎn)鏡從地球升空以后，需要歷經(jīng)29天的漫長飛行才能抵達(dá)第二拉格朗日點。在此期間，韋伯空間望遠(yuǎn)鏡有充足的時間做入軌準(zhǔn)備，其中包括太陽能帆板展開、主鏡展開、遮陽板展開等。NASA在官網(wǎng)上掛出了一段5分鐘的動畫視頻，詳細(xì)演示了韋伯空間望遠(yuǎn)鏡在飛往目的地的途中需要完成的一系列展開動作，堪稱精妙。

在本文的最后，我們簡略地談一談“十三五”期間中國關(guān)于空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展規(guī)劃。一直以來，中國的空間望遠(yuǎn)鏡項目都是依托空間站的建造計劃而開展的。按照現(xiàn)有思路，未來中國將在自己的空間站旁邊發(fā)射一個獨立的光學(xué)艙，與前者保持共軌飛行。當(dāng)需要補加推進(jìn)劑或升級部件時，光學(xué)艙與空間站交會對接，由航天員來操作，維護成本較低。該光學(xué)艙的設(shè)計壽命為10年，功能上類似于哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，但視場更寬廣。利用它，天文學(xué)家有望在宇宙的起源、發(fā)展和演化等前沿領(lǐng)域取得突破。