文字：行星不發(fā)光

校稿：辜漢膺 / 編輯：蛾

航天之父康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基說過：“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠(yuǎn)被束縛在搖籃里。”

人類在地球上已經(jīng)生活了600萬年，我們的搖籃也一點(diǎn)點(diǎn)擴(kuò)大，從一個(gè)聚落、一片大陸到整個(gè)星球。但和浩瀚的星辰大海相比，又如此的渺小。

從遠(yuǎn)在拉格朗日點(diǎn)的詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡，到藏在貴州深山里的中國天眼。為了準(zhǔn)確、全面地觀測宇宙，人類一直在不斷改進(jìn)望遠(yuǎn)鏡。

本文將簡要盤點(diǎn)一下目前仍在運(yùn)行的宇宙觀測神器。

哈勃天文望遠(yuǎn)鏡

(Hubble Space Telescope，HST)

哈勃天文望遠(yuǎn)鏡于1990年4月24日發(fā)射升空，并運(yùn)行至今。其軌道位置為低地球軌道，目前位于地表上方535公里處。

哈勃鎖定目標(biāo)非常準(zhǔn)，相當(dāng)于能把激光準(zhǔn)確照射在320公里外的硬幣上。哈勃可全天區(qū)范圍觀測，可觀測波段為可見光波段和紫外波段。

以“星系天文學(xué)之父”埃德溫·哈勃為名

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哈勃主要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和科研產(chǎn)出有：

1.測量了宇宙中不同天體的距離，對于建立宇宙距離尺度非常重要；

2.觀測到了宇宙的膨脹速度正在加速，為研究暗能量的存在和性質(zhì)提供了證據(jù)；

3.觀測到了遠(yuǎn)古星系的形成和演化過程，為研究宇宙早期提供了寶貴數(shù)據(jù)；

4.通過觀測星系和星團(tuán)的引力透鏡效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)的存在；

5.觀測到許多星系中心存在超大質(zhì)量黑洞；

6.觀測了宇宙背景輻射；

7.發(fā)現(xiàn)了柯伊伯帶中的天體和觀測了外太陽系行星和其衛(wèi)星；

8.觀測到許多系外行星，發(fā)現(xiàn)了一些類地行星。

9.通過觀測星云和年輕恒星，深入了解了恒星的形成過程。

迄今為止，哈勃望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)進(jìn)行了超過150萬次觀測，總存檔數(shù)據(jù)超過340TB，天文學(xué)家使用哈勃數(shù)據(jù)發(fā)表了19000多篇科學(xué)論文。

多年來，哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的佳作不少

比如，這張2014年版“創(chuàng)生之柱”▼

再比如，Westerlund 2，絢爛如煙火▼

詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡

(James Webb Space Telescope, JWST)

韋伯空間望遠(yuǎn)鏡原計(jì)劃于2007年發(fā)射，但一直推遲到2021年12月25日。它是NASA、歐洲太空總署(ESA)和加拿大航天局(CSA)的合作項(xiàng)目。

韋伯空間望遠(yuǎn)鏡，長這樣▼

其軌道位置為日地系統(tǒng)的拉格朗日L2點(diǎn)，距離地球至少150萬公里，L2點(diǎn)可以保持背向太陽和地球的方位，易于校準(zhǔn)和保護(hù)，而且在遠(yuǎn)離太陽的一側(cè)，所以有利于紅外觀測。

韋伯的特長在紅外觀測，它能夠看到更多，更老的恒星和星系。但L2軌道是不穩(wěn)定的，需要?jiǎng)恿S持望遠(yuǎn)鏡姿態(tài)和位置，目前韋伯?dāng)y帶的推進(jìn)劑足夠使用10年，所以它的任務(wù)目標(biāo)時(shí)間就是10年。

測試中的韋伯主鏡，科幻感爆棚▼

韋伯的主要科學(xué)目標(biāo)是：

1.主要的任務(wù)是調(diào)查宇宙微波背景輻射，即觀測今天可見與宇宙的初期狀態(tài)；

2.尋找宇宙大爆炸后形成的第一批恒星和星系的光；

3.研究星系的形成和演化；

4.研究恒星形成，行星系統(tǒng)的演化過程和生命的起源。

韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)現(xiàn)包括但不限于首次直接拍攝系外行星、發(fā)現(xiàn)有史以來最遙遠(yuǎn)的星系、詳細(xì)觀測了系外行星的大氣層和星系碰撞時(shí)的恒星形成等，其中還包括前不久拍攝到的一個(gè)問號(hào)形物體，引起了人們的極大關(guān)注。

韋伯望遠(yuǎn)鏡拍攝的船底座星云部分圖像

（橫屏，圖：NASA's JWST）▼

韋伯望遠(yuǎn)鏡2022年拍攝的南環(huán)星云

猶如一塊嵌在黑色絲絨上的藍(lán)寶石

（圖：NASA's JWST）▼

蓋亞任務(wù)

(Gaia)

蓋亞任務(wù)是歐洲太空總署的太空望遠(yuǎn)鏡，致力于繪制一張精確的銀河系三維星圖。該任務(wù)于2013年12月19日發(fā)射升空，運(yùn)行至今，正在觀測銀河系內(nèi)外近20億個(gè)星體。其軌道位于日地系統(tǒng)的拉格朗日L2點(diǎn)。

Gaia任務(wù)包含兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡，它們以固定的廣角進(jìn)行觀測，對觀測范圍內(nèi)的每個(gè)天體平均觀測70次，時(shí)長持續(xù)5年。觀測波段為可見光。

工作中的蓋亞，想象圖▼

Gaia的主要科學(xué)產(chǎn)出有：

1.測量我們太陽系的加速度；

2.改進(jìn)近地小行星的軌道；

3.改進(jìn)恒星掩星陰影軌道預(yù)測；

4.發(fā)現(xiàn)了更多的稀有恒星、超高速恒星、新小行星和系外行星，揭示了太空中的氣態(tài)結(jié)構(gòu)；

5.揭示銀河系在早期(大約在100億年前)可能與另一個(gè)大星系并合后形成；

6.推測銀河系“厚盤”部分在130億年前開始形成，距離大爆炸僅8億年；

7.白矮星隨著內(nèi)部的冷卻，會(huì)變成固體球體。

在Gaia觀測到的天體中，超過99.9%的天體從未被精確測量過距離。預(yù)計(jì)蓋亞任務(wù)結(jié)束時(shí)，存檔數(shù)據(jù)將超過1PB。

使用蓋亞第三階段資料繪制的四張圖

（圖：ESA / Gaia / DPAC）▼

“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星

(Dark Matter Particle Explorer, DAMPE)

暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星是我國第一個(gè)空間天文探測器，命名為“悟空”。由中科院紫金山天文臺(tái)主導(dǎo)，于2015年12月17日發(fā)射。

悟空號(hào)的軌道類型為太陽同步軌道，軌道高度約為500公里。原計(jì)劃運(yùn)行壽命為3年，但自從2015年發(fā)射后，至今仍在服役，而且工作狀態(tài)良好。悟空號(hào)共計(jì)搭載了四種不同的有效載荷，結(jié)構(gòu)如下圖。

悟空號(hào)衛(wèi)星的科學(xué)載荷結(jié)構(gòu)示意圖

（底圖：紫金山天文臺(tái)）▼

其主要科學(xué)目標(biāo)是暗物質(zhì)間接探測，次要目標(biāo)是尋找宇宙射線的起源和伽馬射線天體物理研究，主要科學(xué)產(chǎn)出有：

1.2017年，首次在1.5TeV處觀測到了明顯超出的峰值；

2.給出了從40 GeV到100 GeV能段的宇宙線質(zhì)子精確能譜測量結(jié)果，發(fā)布了25 GeV和4.6 TeV之間正電子光譜的精確測量結(jié)果；

3.“悟空”號(hào)衛(wèi)星530天的運(yùn)行共計(jì)記錄到28億個(gè)宇宙線粒子, 科學(xué)家從中篩選出了約150萬個(gè)高能量的電子, 測量出了這些電子的能譜分布。揭示出電子能譜存在的一處拐折和一處可能的尖峰結(jié)構(gòu)；

4.記錄到明顯增強(qiáng)的伽馬射線爆發(fā)現(xiàn)象，這一爆發(fā)在12月16日達(dá)到了峰值；

5.測量得到的兩個(gè)最亮脈沖星的伽馬周期在1GeV-100GeV的能量范圍；

6.揭示了電子和正電子的通量出人意料的形狀。

悟空號(hào)在暗物質(zhì)間接探測方面，具有較強(qiáng)的國際競爭力。

寬視場紅外巡天探測衛(wèi)星

(Wide-field Infrared Survey Explorer, WISE)

WISE是NASA在2009年發(fā)射的空間紅外望遠(yuǎn)鏡，運(yùn)行期間共對約158000顆小行星進(jìn)行了觀測，其中包括約34000顆新發(fā)現(xiàn)的小行星。

該望遠(yuǎn)鏡的四個(gè)工作波長分別為3.4，4.6，12和22微米，分別記為W1，W2，W3和W4。到2011年2月，固態(tài)氫全部耗盡，望遠(yuǎn)鏡進(jìn)入休眠狀態(tài)。

2010年，WISE拍攝的C/2007 Q3

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WISE拍攝的圖像（圖：NASA）▼

2013年8月，WISE被喚醒，繼續(xù)使用W1和W2波段進(jìn)行巡天觀測，并更名為NEOWISE，用于探測近地小天體。

截止2022年4月，NEOWISE共對40700個(gè)太陽系天體進(jìn)行了超過120萬次紅外測量，包括1380個(gè)近地小行星和246顆彗星，其中發(fā)現(xiàn)了347顆潛在危險(xiǎn)小行星和34顆彗星。

NEOWISE位于太陽同步軌道，距離地表525公里，主要任務(wù)包括：

1.搜索近地小行星，為地球撞擊威脅評(píng)估提供數(shù)據(jù)；2.觀測彗星；3.研究小行星族群；4.測量小行星的大小分布和反照率。

C/2020 F3，于2020年被NEOWISE發(fā)現(xiàn)

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凌日系外行星巡天衛(wèi)星

（Transiting Exoplanet Survey Satellite, TESS）

系外行星凌星巡天衛(wèi)星是一顆由NASA開發(fā)，專門用于探測系外行星的望遠(yuǎn)鏡，又被稱為“苔絲”。

TESS的軌道位于高地球軌道，為高橢圓軌道，其偏心率為0.55，近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)的距離分別約為10.8 萬公里和37.3萬公里。該軌道可以獲得天空南北半球的無遮圖像。

TESS繞地球運(yùn)行，想象圖

（圖：shutterstock）▼

TESS于2018年4月18日發(fā)射升空，預(yù)設(shè)的主要任務(wù)為2年，至今仍在運(yùn)行。截止2023年8月，TESS發(fā)現(xiàn)了373顆已確認(rèn)的系外行星。

TESS，啟程▼

中國巡天空間望遠(yuǎn)鏡

(China Space Station Telescope, CSST)

CSST將是中國第一個(gè)光學(xué)空間巡天望遠(yuǎn)鏡，它于2013年11月立項(xiàng)，預(yù)計(jì)在2024年發(fā)射，將在400公里高的軌道上運(yùn)行。這意味著CSST具備在軌維護(hù)升級(jí)的能力。

CSST兼具大視場和高像質(zhì)的優(yōu)異性能，是哈勃視場的300倍。CSST的計(jì)劃運(yùn)行期為10年，將對17500平方度的天區(qū)進(jìn)行多波段成像和無縫光譜觀測，并對遴選的天體或天區(qū)開展精細(xì)觀測研究，以獲取數(shù)十億恒星與星系的測光數(shù)據(jù)和數(shù)億條光譜，并通過直接成像搜尋和研究太陽系外行星。

中國巡天空間望遠(yuǎn)鏡概念圖

（圖：bao.ac.cn/csst/）▼

CSST的主要科學(xué)目標(biāo)有：

1.對宇宙加速膨脹、暗能量、暗物質(zhì)、星系成團(tuán)性和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的研究；

2.星系和活動(dòng)星系核，包括高紅移星系和超大質(zhì)量黑洞；

3.恒星活動(dòng)、形成和演化；

4.系外行星、原行星盤和太陽系天體觀測研究；

5.暫現(xiàn)源/變源和重要天文事件響應(yīng)，例如引力波搜尋、高紅移伽馬射線暴和快速射電暴等。

“中國天眼”500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡

(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，F(xiàn)AST)

“中國天眼”是目前世界上第一大的球面射電望遠(yuǎn)鏡。項(xiàng)目早在1994年就被提出并開始進(jìn)行預(yù)研工作。到2020年1月11日通過驗(yàn)收，正式開始運(yùn)行。

“中國天眼”宛如玉盤（圖：共生地球）▼

因?yàn)樘祗w目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)，所以中國天眼在跟蹤觀測時(shí)，拋物面要一直不停地跟蹤變化。于是，反射面不斷變形，懸掛在鋼索上饋源也要進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。

為了支持這一功能，中國科學(xué)家將4450塊三角形主動(dòng)反射面安裝在球形的大網(wǎng)兜內(nèi)表層，大網(wǎng)兜的2225個(gè)節(jié)點(diǎn)形成了4450個(gè)三角形區(qū)域，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有斜拉的鋼索，連接到地面，鋼索下面有液壓促動(dòng)器往下拽鋼索，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以雙向運(yùn)動(dòng)。通過聯(lián)合控制，精確調(diào)節(jié)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)距離，就可以使得球面變形成拋物面，實(shí)現(xiàn)變形。

功能強(qiáng)大（底圖：壹圖網(wǎng)）▼

其科學(xué)目標(biāo)有：

1.大規(guī)模中性氫的巡天調(diào)查，繪制宇宙早期圖像；

2.建立脈沖星計(jì)時(shí)陣，參與未來脈沖星自主導(dǎo)航和引力波探測；

3.主導(dǎo)國際甚長基線干涉測量網(wǎng)，探測天體的超精細(xì)結(jié)構(gòu)；

4.檢測星際通信訊號(hào)，參與地外文明搜索。

它是搜尋脈沖星的利器（圖：圖蟲創(chuàng)意）▼

上述神器是當(dāng)前最為引人矚目的天文觀測設(shè)備，為天文學(xué)家們帶來了豐富的科學(xué)產(chǎn)出。中國在某些方面處于國際前沿地位，例如在暗物質(zhì)探測和射電望遠(yuǎn)鏡領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。而在光和熱紅外波段，與國際先進(jìn)水平仍存在較大差距。

隨著天文學(xué)的發(fā)展，未來將需要更大口徑的空間望遠(yuǎn)鏡來捕捉更多微弱天體的光線。目前已經(jīng)出現(xiàn)了一些針對未來空間望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)概念，例如大口徑先進(jìn)技術(shù)空間望遠(yuǎn)鏡和單孔徑遠(yuǎn)紅外天文觀測望遠(yuǎn)鏡。這些觀測神器將極大地提高人類對宇宙的認(rèn)知。

*本文內(nèi)容為作者提供，不代表地球知識(shí)局立場

封面：NASA

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