遙望宇宙深處的“眼睛”

胡平 湯樂明

時間如何開始？宇宙如何起源？生命從何而來，又向何處去？人類是否是宇宙中唯一的智慧生命？外星人存在嗎？如果存在他們又在哪兒呢？占宇宙質(zhì)量絕大部分的暗物質(zhì)和暗能量，它們的本質(zhì)是什么？古往今來，人們孜孜不倦地思考著這些問題。這些問題的研究和突破依賴于已歷經(jīng)400年發(fā)展進步、不斷壯大的天文望遠鏡。

望遠鏡的誕生：為科學獻身的伽利略

古人的智慧是偉大的，早在東漢時期，天文學家張衡就發(fā)明了世界上最早的天文望遠鏡—渾天儀；元代天文學家郭守敬1276年創(chuàng)制的簡儀，是最早的赤道經(jīng)緯儀?，F(xiàn)代光學天文觀測從何而起呢？

1608年，荷蘭眼鏡商漢斯·李普希偶然發(fā)現(xiàn)凹透鏡和凸透鏡組合可以看清遠處的景物，由此制成第一架望遠鏡。當時的望遠鏡并沒有用于天文觀測，而是作為艦隊軍事裝備。

1609年，意大利科學家伽利略研制出第一臺應用于天文觀測的光學望遠鏡，發(fā)現(xiàn)望遠鏡具有增強聚光能力和放大視角的作用。最初他制作的簡易望遠鏡只能放大3倍，經(jīng)過幾個月的改進，伽利略制成了可放大32倍的望遠鏡。伽利略用這個劃時代的天文儀器觀測到一些令人驚奇的現(xiàn)象：奪目的太陽上竟然有黑子；月亮上有的地方平原千里，有的地方卻高山聳峙；木星有四個小衛(wèi)星圍繞其旋轉(zhuǎn)，而且它們的位置是經(jīng)常變化的，就像月亮圍繞地球旋轉(zhuǎn)一樣。后來，伽利略還發(fā)現(xiàn)了金星的位相變化，從而證明金星是繞太陽運行的，銀河系是由許多恒星組成的。于是，伽利略堅定了對地動說的信念。這一系列發(fā)現(xiàn)轟動了歐洲。由于他堅持捍衛(wèi)哥白尼的日心說，1633年，教廷把年邁的伽利略召到羅馬進行審判。他被判有罪入獄，直到300多年后才獲平反。

1611年，德國科學家開普勒發(fā)明了物鏡和目鏡均采用凸透鏡的另一種折射式望遠鏡。這種望遠鏡的目鏡在物鏡焦點之后，可以放置十字絲。由于不同的光在介質(zhì)中有著不同的折射率，折射望遠鏡不可避免地存在色差。17世紀，解決色差的辦法是把焦距加長：當焦距足夠長時，色差就變得可以忽略了。然而，焦距決定了鏡筒的長度，使得當時最長的望遠鏡有45米。這便是早期的透射式光學望遠鏡。

望遠鏡的發(fā)展：大口徑反射式望遠鏡時代

既然透射式望遠鏡有許多不足之處，那么有沒有更好的光學結(jié)構(gòu)呢？1663年，英國數(shù)學家詹姆斯·格里高利設(shè)計了格里高利望遠鏡系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有先進的設(shè)計理念，可消除球差（球差是球面反射鏡作為主鏡時，它對光線的成像作用與標準拋物面反射鏡相比的差距造成的單色像差），沒有色差（色差是用白光進行成像時，通過透鏡的不同色光有不同折射率，呈現(xiàn)出因不同色光的光路差別而引起的像差）。主鏡為拋物面，次鏡為橢球面，位于主焦點之后，可設(shè)置視場光闌。但受加工和檢測水平的限制，該望遠鏡當時并未被成功研制出來。

1668年，牛頓設(shè)計并制作了第一臺反射式望遠鏡，球面主鏡口徑為2.5厘米，鏡筒長15厘米，采用45°反射鏡將焦點移出鏡筒以便于觀測。特點為視場小，軸外彗差（一種類似彗星形狀的變形）大，體積大。1672年，法國科學家卡塞格林提出卡塞格林望遠鏡方案，與格里高利方案類似，但鏡筒更短?？ㄈ窳滞h鏡是現(xiàn)代天文觀測的基石，后來也出現(xiàn)了多種不同用途的變種。采用凹拋物面主鏡和凸雙曲面次鏡，主鏡中心穿孔以讓光線通過而到達目鏡、照相機或感光器材。特點為成像視場較大、球差校正較好、放大倍率大。

近代以來，大口徑光學望遠鏡的發(fā)展才真正意義上將反射式望遠鏡和透射式望遠鏡徹底分開，并占據(jù)統(tǒng)治地位。天文學是一門觀測科學，科學需求隨著觀測水平和技術(shù)的發(fā)展不斷提高，大口徑是獲取更高集光能力、更高空間分辨率、更高時間分辨率和光譜分辨率的永恒追求。反射式大口徑望遠鏡同透射式大口徑望遠鏡相比，具有無色差、對材料均勻性要求低、重量較輕、尺寸相對較小、結(jié)構(gòu)簡單、容易運行和維護等優(yōu)勢。

1917年建立的胡克望遠鏡第一次揭示了銀河系的真實大小。20世紀70年代，4～6米級反射式望遠鏡出現(xiàn)了井噴式發(fā)展。目前世界上最大的反射式光學望遠鏡是位于夏威夷島上的凱克望遠鏡，口徑達10米。而正在研制的GMT望遠鏡和TMT望遠鏡口徑分別達到了22米和30米。

當然，在望遠鏡的大家族里，并不只有光學望遠鏡，還有射電望遠鏡。射電望遠鏡的原理與反射式光學望遠鏡相似，入射的電磁波被反射鏡面反射后，同相到達公共焦點。用旋轉(zhuǎn)拋物面作為鏡面易于實現(xiàn)同相聚焦，因此，我們看到的射電望遠鏡鏡面往往是拋物面。由焦點處的定向天線收集來自宇宙的射電輻射，接收機將這些信號加工、轉(zhuǎn)化為可供記錄、顯示的形式，最后進行后期分析處理。

不論是光學望遠鏡，還是射電望遠鏡，在未來，更大口徑依然是望遠鏡的發(fā)展趨勢。同時，研究者也在尋求更好的平臺，如空間、月球以及其他星系等。

正如美國國家航空航天局的丹·丁爾所說：“大型望遠鏡對于天體物理和天文學就像運算速度對于計算機那么重要，我們想直接看到宇宙大爆炸的邊緣，我們想直接看到環(huán)繞其他恒星的星球。我們需要更大的望遠鏡?！?h3>望遠鏡的意義：以天之語，解物之道

天文學家在宇宙觀測時獲取信息的通道有：電磁波、宇宙線、中微子、引力波。其中，電磁波是獲取信息的主要通道。

當前，天體物理提出了很多重要問題。“兩暗、一黑、三起源”（兩暗—暗能量、暗物質(zhì)；一黑—黑洞及致密天體；三起源—宇宙起源、天體起源、生命起源）是當今亟待解決的重大核心天文學和物理學問題，探究的過程將驅(qū)動天文學進入一個新的跨越式發(fā)展期。

具體來說，通過進一步精確測量宇宙各時期的哈勃參量，可能發(fā)現(xiàn)宇宙是如何加速膨脹的，從而確定暗能量是否隨時間變化。這對于人類認識宇宙具有重要的科學意義：如果暗能量是隨時間變大的，宇宙終將分崩離析，進入所謂大撕裂狀態(tài)；如果暗能量是隨時間變小的，宇宙終將重新聚合在一起，進入所謂大坍塌狀態(tài)。

在激光通信領(lǐng)域，2016年我國墨子號量子科學實驗衛(wèi)星專項的星地高速量子密鑰分發(fā)實驗中，中國科學院光電技術(shù)研究所研制的4個地面站（望遠鏡）對量子密鑰分發(fā)實驗起到了至關(guān)重要的作用。實驗中，衛(wèi)星捕捉到地面站發(fā)來的光束（信標光），并將該光束會聚到探測器中心；捕獲完成后，衛(wèi)星發(fā)出一光束，該光束準確地指向地面望遠鏡；地面望遠鏡接收到光束，完成捕獲過程，使得衛(wèi)星和地面站最終達到通信連接狀態(tài)。

太陽大氣探測也是如今天文學以及天體物理學領(lǐng)域的一個重要問題。太陽是距離地球最近的恒星，如果能更加了解它，就有助于我們探索宇宙的奧秘，同時預防太陽對地球的危害。望遠鏡的其他應用還有衛(wèi)星成像、激光雷達等。

自1609年伽利略發(fā)明了第一臺應用于天文觀測的光學望遠鏡后，400多年來，天文望遠鏡經(jīng)歷了翻天覆地的發(fā)展變化，從折射式到反射式，從小到大，從單口徑到多口徑，從地面到空間，如今形成的望遠鏡家族也不僅僅用于天文觀測。幾百年的時間里，天文學家借助越來越先進的望遠鏡獲得了豐碩的成果，讓我們對太陽系、銀河系、河外星系甚至整個宇宙的認識產(chǎn)生了一次次重大飛躍，極大地推動了現(xiàn)代天文學和物理學理論的發(fā)展。

“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索?！蔽份卟磺爸粫e失良機。我們相信，作為人類對話宇宙的利器，望遠鏡及其傳奇故事必將繼續(xù)演繹下去，譜寫出新的篇章。