后哈勃时代,人们要怎样去观测星空?

生活

04-02 08:30

你有没有想象过一个人躺在柔软的草坪上,遥望夜空,看着星光在头顶闪耀,随着时间的流逝,银河缓缓转动的壮观景象。或许你曾经在动漫或者电影作品,甚至某些手机的发布会中看过这些镜头。但拉开自家的窗户,伸出头望向天空,天空却是漆黑一片,除了月亮和启明星,再怎么努力也只能看到几颗暗淡的星星。

现代的人们知道,夜空中星星是宇宙中发光的恒星和反光的行星,这些星球发出或反射的光,穿过遥远的宇宙空间和星际尘埃后最终到达地球。在大气层中生活的人们,看星星就好像隔着一层透明塑料盖子。

对于工业化时代前的人来说。这个盖子是高度透明的,毕竟那时候还没有电灯,城镇的照明只能通过昏暗的蜡烛和煤油灯。除了少数富裕的地区外,大多数人在夜晚只能靠月光照明。在这种没有干扰的环境下,肉眼大约能看到天空中的 3000 颗星星,如果把范围扩大到整个天球,可以看到大约 6000 颗星星。

看到还不够,想清楚的看到星星需要什么?

400 多年前,一位荷兰眼镜制造师发现将一块凸透镜和一块凹透镜对准了放在一起,可以让远方的物体变近变大,这是人类第一次获得了把远景放大的方法,于是他向荷兰国会申请了折射望远镜的专利。专利发布第二年,伽利略对这个望远镜进行了改造,让望远镜的放大倍率从 3 倍变成了 30 倍。这望远镜有了观察星星的能力。如果你想知道伽利略的改进有多重要,可以用自己手上的手机尝试一下 3 倍放大和 30 倍放大的区别。

▲ 早期的荷兰望远镜 图片来自:WIKI

在获得了能放大 30 倍的望远镜后,人类好像拿到了新世界大门的钥匙。伽利略成了人类历史上第一个看到木星的卫星的人、第一个看到土星光环的人、第一个清楚地看到月亮表面的环形山和山谷的人、第一个观测太阳黑子并得出太阳自转的人。他改良的折射望远镜,让天文学进入快速发展期。但因为光学原理,折射望远镜不可避免地存在色差问题,在当时想要解决这个问题,只有加长望远镜的焦距。夸张的时候,有人造出了焦距 180 米的无筒望远镜,但这种望远镜根本没有实用性。

▲ 折射式望远镜 图片来自:WIKI

好在牛顿横空出世,发明了反射式望远镜。这种新型的望远镜不仅去除色差,还很容易产生较短的焦比,带来比折射式望远镜更宽广的视野。除了光学原理带来的观测优势外,采用光学反射原理的牛顿式望远镜内部不需要透镜,相比传统的折射式望远镜生产成本也降低了很多,更适合大量推广。

▲ 牛顿式望远镜 图片来自:WIKI

到了 20 世纪初,体积庞大、制造复杂的大型折射望远镜已经很少有人制造,当时实际投入使用的最大折射望远镜是芝加哥大学叶凯士 (Yerkes) 天文台的 40 英寸 (1.02 米) 望远镜。大部分在 20 世纪建造光学望远镜,已经换成了体积更小,效果很好的反射式望远镜。反射式望远镜只要放大镜片就能获得更高分辨率的图片,但是用单块儿玻璃做镜片,直径很难超过八米,所以蜂巢式拼接镜面成为了超大型望远镜的理想选择。

▲ 天文望远镜镜片尺寸对比 图片来自:WIKI

地面光学望远镜的局限性

那是不是只需要将望远镜镜片无限放大,我们就能更好地观测宇宙呢?事情并没有这么简单。20 世纪中期,家用电器和电灯泡已经逐渐普及到每一个家庭,发达地区城市的天空灯火通明。从太空望向地球,城市的灯光像棋盘一样,铺满了地球的每一个角落。但相比城市的灯光,天空的星星其实是非常暗淡的。即使是夜空中最亮的月亮的照明效果,也比不上马路旁的路灯。更何况一个城市中可能有几十万照明的路灯,而一个地区可能有几个城市相连。所以在光污染严重的城市附近,人们几乎无法用肉眼看到天上的银河。

▲ 从宇宙俯瞰城市的夜空 图片来自:NASA

严重的城市光污染对天文望远镜观测活动也是一个巨大的挑战。除了将天文望远镜搬到荒无人烟的山顶和小岛以外,并没有什么好办法。除了地面上的光污染以外,如今的科学家们还要面对来自天上的光污染。比如马斯克的星链计划,会在近地轨道投放近 12000 颗小卫星。

▲ 天文望远镜中的人造发光体

这些小卫星上携带的太阳能电池板和天线会反射阳光。虽然白天我们无法看见它们,但在夜空中,他们就是明亮的星星。如果只有一两百颗这样的卫星当然不是什么大问题,但如果马斯克的卫星超过人类之前所发射的所有卫星,地面天文台的观测将会被严重干扰。

▲ 这么多卫星在天上会发生什么?

想象一下,卫星排成一列长队空中穿过,就好像一辆火车。这对成像质量严重依赖环境的光学望远镜来说,可以算是致命打击。虽然马斯克表示,Space X 将采用涂层减少卫星的反照率,但从目前的测试的效果来说,并不能满足天文学家的要求。

地面不行,把望远镜搬到天上呢?

既然地球上环境对天文观测的干扰因素那么多,为什么不把天文望远镜搬到宇宙中呢?早在 1946 年,天文学家莱曼·斯皮策就提出了空间天文台的设想。直到 1990 年,哈勃望远镜终于随着发现号航天飞机腾空,被安放在近地轨道。哈勃望远镜口径为 2.4 米、长度约 16 米,虽然尺寸还不到地面望远镜的零头。但它在没有大气干扰的太空能拍出比地面望远镜分辨率更高、效果更好的图片,同时也能观测地面望远镜无法观测的红外紫外波段。

▲ 哈勃望远镜 图片来自:NASA

截止 2018 年。哈勃望远镜总共探测了 43500 个天体,观测任务超过 150 万次,我们熟知的许多关于宇宙的宏伟图片,都是由哈勃望远镜拍摄的。它传回来的数据,已经让天文学家发了超过 15000 篇科学论文,论文的引用量超过 738000 次。完全可以说:哈勃望远镜就是当代天文学家最明亮的眼睛。自从有了哈勃望远镜,天文学再次进入了高速发展期。

▲ 这些图片都是出自哈勃望远镜 图片来自:NASA

2012 年,NASA 发布了哈勃极深空的图片,这篇图片包含前十年哈勃空间望远镜的影像,在经过进一步处理后,哈勃望远镜拍摄到了 132 亿年前的星系,这片影像总曝光时长达到 200 万秒,相当于对着一个区域拍摄了 23 天。其中最暗的星系,光度甚至只有肉眼可分辨光度下线的 1/10000000000(一百亿分之一),这也是人类第一次看到宇宙初生时期的情景。

不过这已经是哈勃望远镜的极限了,作为一台服役近 30 年、航天飞机退役而无法再次进行维修的空间望远镜,哈勃已经走到了生命的尽头。好在 NASA 已经为哈勃准备了新的继任者——詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)。

▲ 航天飞机对哈勃展开维护工作 图片来自:NASA

后哈勃时代,人们要怎样去观测星空?

哈勃望远镜已经让我们看到了 132 亿年前的宇宙,但人类还想看的更远、看的更清晰。宇宙早期的可见光已经红移到红外波段了,直接观测红外光谱显然更加方便。但大气会吸收红外线,不适合红外波段的天文观测,所以空间红外望远镜就成了完成这一任务的最佳选择。为了满足观测宇宙初生时期的需求,NASA 在上世纪 90 年代上马了詹姆斯·韦伯太空望远镜。

它采用了蜂巢式拼接镜面的设计,镀金的反射镜口径达到了 6.5 米,焦距达 131.4 米,反光镜面积是哈勃望远镜的 5 倍以上。我们知道,红外线对于温度非常敏感,为了保证红外探测设备的正常运行,詹姆斯·韦伯太空望远镜的反射镜和相机系统必须工作在 50K 以下的温度。

▲ 左为哈勃望远镜,右为詹姆斯·韦伯望远镜

太空中可没有大气层遮阳,所以 NASA 为望远镜设计了五层展开后面积达到 300 平米左右的遮阳伞,这些伞重叠在一起,足以让镜片温度从 350K 下降到 50K。这些遮阳伞不但面积要大,重量还要轻。为了减少火箭的负担,每层遮阳伞的厚度仅有 25 微米(第一层为 50 微米),差不多只有两根头发宽。在发射过程中,5 层遮阳伞还要折叠起来,并在太空中自行展开。仅此一项,就可见其中技术到底有多复杂。

▲ 面积 320 平米的遮阳伞 图片来自:NASA

由于红外探测对低热辐射的特殊要求,詹姆斯·韦伯望远镜的遮阳伞必须同时遮挡太阳光和地球的反光。这就需要太阳和地球始终同处一个方向。根据拉格朗日定理,在地球与太阳的引力功能作用下,航天器可以稳定的停留在 L1~L5 这 5 个点中。

詹姆斯·韦伯空间望远镜位于 L2  图片来自:NASA

可能你会想,只要不在围绕地球的轨道上,是不是同样可以达到目的?的确有红外探测的航天器被安排在这些位置。2003 年,NASA 发射的斯皮策空间望远镜,就运行在一条位于地球公转轨道后方,环绕太阳的轨道上。由于它相对太阳公转的速度更慢,所以该卫星会以每年 0.1 天文单位的速度逐渐远离地球,最终它会到达 L3 位置,彻底中断与地球的联系。而詹姆斯·韦伯所在的 L2 轨道位置距离地球更近,通信方便之余轨道也更加稳定。

不过将卫星发射到距离地球非常遥远的 L2,也有着很大的风险。一旦发射失败,就意味着 NASA 研发 20 年,100 亿美金的经费的望远镜就打了水漂。为保证发射万无一失,詹姆斯·韦伯望远镜不断在地面做模拟实验,发射也从 2018 年跳票到了 2021 年。今年新冠疫情在美国的流行再次打断了研发工作,如果今年内疫情都没能得到有效控制,明年的发射任务还可能会继续跳票。

国际空间天文望远镜发展不错,中国呢?

除了美国、欧盟依旧在积极的开发空间天文望远镜外。国内也开始加大在天文望远镜的投入。除了 2016 年在贵州建成的 FAST 射电望远镜外,空间望远镜也提上了日程。2013 年中国载人航天工程办公室对外正式公布中国空间站名称时,提到其中一个实验舱名为「巡天」,该舱段的核心是一台 2 米孔径的天基望远镜。

▲ 巡天就是实验舱 II

但在 2016 年,中国载人航天工程总设计师周建平表示:未来会单独发射一个十几吨的光学舱,与空间站保持共轨飞行状态。也就是说,中国已经放弃和空间站一体的望远镜构型,转而研制类似哈勃望远镜的空间天文望远镜。

据周建平所说,这台口径两米的空间望远镜分辨率与哈勃相当,视场角是哈勃的 300 多倍,并和空间站共轨飞行。这点类似航天飞机维修哈勃望远镜。空间望远镜需要维护时,由空间站上的航天员通过机械臂直接对其维护,提高了检修的便利度。不过巡天望远镜具体何时发射,官方还没有相关消息流出,微博上有消息说将在 2024 年发射。不管怎样,这将是国内首台常见波段的空间望远镜,值得期待。

写在最后

▲  图片来自:unsplash

百万年前,人们仰望天上的星星,或许只是为了满足自己的好奇心,又或者为心灵寻找依托。但随着研究的一步步深入,人类意识到自己或许不是星空中独一无二的生命。从地心说到日心说,最后到宇宙大爆炸,人类对星空的探索越多,对自身的渺小的认识也愈发深刻。

为什么人们明知自身渺小,但还是勇敢探索星空呢?或许,驱动人类不断探索的动力,正是人类对未知的恐惧吧。

题图来自:unsplash

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