我們的目標(biāo)是星辰大海（下）

上一期我們了解了人類為什么要發(fā)射望遠(yuǎn)鏡到宇宙中去，本期我們將看到，我國即將發(fā)射的巡天空間望遠(yuǎn)鏡如何超越哈勃望遠(yuǎn)鏡，以及它能給人類帶來哪些期待。

如何超越哈勃望遠(yuǎn)鏡

服役超過30年的哈勃望遠(yuǎn)鏡是一臺(tái)能夠在很小的視野范圍里，非常精細(xì)地觀察天空的太空望遠(yuǎn)鏡。怎樣才能夠超越它，利用太空望遠(yuǎn)鏡仰望更遠(yuǎn)處的星空，更多地探索宇宙呢？

有兩種思路。一種是建造更大口徑的望遠(yuǎn)鏡，這樣可以看得更深，獲得更暗弱天體的信息，預(yù)定在今年發(fā)射的6.5米口徑的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡就采取了這一思路。另一種思路是建造可以觀察更廣闊天區(qū)的望遠(yuǎn)鏡，以更高的效率，更系統(tǒng)地去研究宇宙，這種望遠(yuǎn)鏡一般被稱作巡天式望遠(yuǎn)鏡。我國即將發(fā)射的巡天空間望遠(yuǎn)鏡采取的就是這種模式。

巡天空間望遠(yuǎn)鏡是一臺(tái)主口徑為2米的望遠(yuǎn)鏡，整體大小大概像一輛大巴車。它將與天和空間站共軌飛行，而非對(duì)接在空間站上。為什么不對(duì)接在空間站上呢？因?yàn)榭臻g站會(huì)抖動(dòng)，而且空間站很亮，會(huì)影響望遠(yuǎn)鏡拍照。但是，巡天空間望遠(yuǎn)鏡也可以回到空間站，與空間站對(duì)接，以便進(jìn)行更新、升級(jí)儀器等操作。巡天空間望遠(yuǎn)鏡大概會(huì)在2024年前后投入運(yùn)行。

按照科研人員的設(shè)計(jì)，巡天空間望遠(yuǎn)鏡的整個(gè)生命周期大概是10年，計(jì)劃拍攝60萬次照片，并將全天超過三分之一的圖像傳送回地球，供全世界所有的科學(xué)家進(jìn)行研究。

巡天空間望遠(yuǎn)鏡可以做什么

在過去，所有的精測(cè)望遠(yuǎn)鏡只能看到一兩個(gè)星系，而有了巡天空間望遠(yuǎn)鏡，人類將能看到成千上百倍的范圍。很多現(xiàn)在看來奇怪的、稀少的天體，在巡天空間望遠(yuǎn)鏡的時(shí)代都會(huì)被大量觀察到，我們將看到很多碰撞的星系、發(fā)生恒星爆發(fā)的星系，以及正在進(jìn)行劇烈活動(dòng)的星系……

因?yàn)檠蔡焱h(yuǎn)鏡視場(chǎng)面積很大，我們還可以看一些很大的東西，比如一個(gè)近鄰的星系。借助巡天空間望遠(yuǎn)鏡，可以一下子把整個(gè)星系拍攝到照片里，供科學(xué)家進(jìn)行研究。還可以拍攝一些星系團(tuán)。這些星系團(tuán)是宇宙里最大的結(jié)構(gòu)，包括成百上千個(gè)非常明亮的星系。過去哈勃望遠(yuǎn)鏡花了巨量的時(shí)間極其精細(xì)地拍了其中的6個(gè)，稍微不那么精細(xì)地拍了幾十個(gè)。未來，會(huì)有數(shù)萬個(gè)這樣的星系團(tuán)被巡天望遠(yuǎn)鏡觀察到。

但巡天望遠(yuǎn)鏡要做的最重要的一件事情，不是去看宇宙中的明亮的天體，而是試圖去看宇宙中那些看不見的東西，也就是暗物質(zhì)。

在宇宙中，暗物質(zhì)的總質(zhì)量是普通物質(zhì)的5倍以上。暗物質(zhì)不發(fā)光，也不和普通物質(zhì)發(fā)生相互碰撞。那么，怎么去看到這些看不見的物質(zhì)？巡天望遠(yuǎn)鏡將會(huì)觀測(cè)一種叫作引力透鏡的效應(yīng)。所謂引力透鏡并不是一個(gè)真的透鏡，而是把宇宙中的一些天體當(dāng)成透鏡來研究宇宙。

假設(shè)遙遠(yuǎn)的宇宙中有一顆恒星，或者有一個(gè)星系，它發(fā)出了光。在這個(gè)光線行進(jìn)的路徑上存在著各種各樣的其他天體，這些天體的存在會(huì)使得宇宙的空間微微的彎曲。這是愛因斯坦在廣義相對(duì)論中描述的一個(gè)效應(yīng)：因?yàn)橘|(zhì)量的存在，使得宇宙發(fā)生彎曲。天體的質(zhì)量很大，就可以使宇宙的空間彎曲得稍微厲害一點(diǎn)兒。隔著彎曲的空間去觀察更遙遠(yuǎn)處的宇宙，遠(yuǎn)處星系的形態(tài)就會(huì)微微變形。

我們不妨把自己想象成魚缸里的魚，透過魚缸去看外邊的世界，世界實(shí)際上是有扭曲的。只是扭曲的程度非常輕微，所以我們一般感覺不到。但是，當(dāng)我們有了巡天空間望遠(yuǎn)鏡海量的精確的星系圖像，我們就可以去測(cè)量每一個(gè)星系的形狀，測(cè)量出每一個(gè)星系到底是圓的還是橢圓的？如果是橢圓的，到底有多橢？

如果宇宙中沒有暗物質(zhì)、物質(zhì)的話，這些星系的形狀會(huì)是隨機(jī)分布的。有的胖一點(diǎn)兒，有的扁一點(diǎn)兒，有的朝東，有的朝西。但如果存在引力透鏡效應(yīng)，那么這些星系的形狀、擺向就不那么隨機(jī)了。如果在一個(gè)小的天空區(qū)域里去平均這些星系的形狀，就會(huì)發(fā)現(xiàn)有一個(gè)殘余。這個(gè)殘余就標(biāo)志了引力透鏡效應(yīng)的存在，也就能幫助人類去尋找暗物質(zhì)。

所有的星系都處在不同的距離上，天文學(xué)家按照距離把它們進(jìn)行分類。越遠(yuǎn)距離的星系發(fā)出來的光，到達(dá)地球所用的時(shí)間就越長(zhǎng)，人類所看到的就是越早時(shí)期的圖像。當(dāng)把宇宙中所有的星系進(jìn)行分類，并測(cè)量形狀之后，科學(xué)家就可以做到一件很厲害的事情：把宇宙的物質(zhì)結(jié)構(gòu)的演化做出來。

什么叫物質(zhì)結(jié)構(gòu)的演化呢？物理學(xué)家認(rèn)為，在最早期的時(shí)候，宇宙各個(gè)地方的密度是完全均勻的。宇宙中沒有恒星、星系，它們都是后來演化出來的。巡天空間望遠(yuǎn)鏡將通過60萬次的曝光，將三分之一的宇宙天空的圖像記錄下來，而且圖像都有非常高的畫質(zhì)。這樣的能力，使得我們有辦法去研究宇宙物質(zhì)的演化——不僅是可見的宇宙，還包括我們看不見的宇宙。

此外，巡天空間望遠(yuǎn)鏡還搭載了豐富的精測(cè)儀器。有的儀器可以幫人類觀察星系中的碳元素;有的儀器可以觀測(cè)恒星周圍有沒有行星在圍繞著它們轉(zhuǎn);具備精測(cè)能力的相機(jī)，可以拍攝小視場(chǎng)的、非常精確的圖像;還有一種非常有意思的儀器叫作積分視場(chǎng)光譜儀，它可以把一個(gè)星系每一個(gè)位置都拍一條光譜，這條光譜會(huì)告訴我們星系在這個(gè)位置上的各種各樣的物理信息。

當(dāng)這些豐富的精測(cè)儀器和巡天相機(jī)拍攝的圖像結(jié)合到一起的時(shí)候，科學(xué)家就有能力從一個(gè)小的尺度到一個(gè)極廣大的尺度去了解宇宙，從地外行星，到恒星，再到星系……一直到宇宙全景。

中國載人航天工程巡天空間望遠(yuǎn)鏡將是中國天文學(xué)邁向國際領(lǐng)先的巨大機(jī)遇。如果說哈勃望遠(yuǎn)鏡用高清晰的圖像為人類掀開了宇宙的一角，那么巡天空間望遠(yuǎn)鏡將會(huì)給人類帶回整個(gè)宇宙的高清晰全景圖像。屆時(shí)普通公眾也可在網(wǎng)絡(luò)上訪問巡天空間望遠(yuǎn)鏡拍攝到的美麗圖片，直觀地感受宇宙的浩瀚和美麗。

（注：本文根據(jù)中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員李然的相關(guān)文章整理，有刪節(jié)）