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打开宇宙窗口的望远镜 天文学的历史从某个角度上说就是天文望远镜发展的历史。1609年，大科学家伽利略制造了天文望远镜（后被称为伽利略望远镜），通过这个望远镜，他发现了月球表面的凹凸不平，还先后发现了木星的四颗卫星、土星光环、太阳黑子、金星和水星的盈亏现象，以及银河是由无数恒星组成等等。这些发现开辟了天文学的新时代。 从此之后，天文望远镜一直是推动天文学的进步的强大助力。许多重大天文发现背后都有某个天文望远镜在默默贡献着力量，英国天文学家威廉·赫歇尔发现了天王星用的是自制的望远镜；而美国天文学家哈勃正是借助了当时最先进的100英寸胡克天文望远镜，第一次发现了银河系之外还有无数璀璨的星系，而且这些星系正在迅速远离我们，证实了宇宙正在膨胀。 随着科技的发展，天文望远镜也在变得更大更强。到了今天，天上地下都有各显神通的天文望远镜在运行，而且早已不再局限光学望远镜了。我们知道，天体发射的电磁波从频率最高、波长最短的γ射线、X射线到频率最低、波长最长的长波，无所不包，且各个波段的电磁波各有特点，因此，γ射线望远镜、X射线望远镜、红外望远镜等纷纷出现，为我们打开了一扇又一扇的宇宙窗口，展现了宇宙多彩多姿的风貌。 这些繁复多样的天文望远镜，它们各自的特点和功能是什么？下面就让我们一一道来。 系外行星猎手——开普勒探测器 传统的光学波段的望远镜仍是天文望远镜的主流，由美国航空航天局研制、2009年升空的开普勒探测器是其中的佼佼者。开普勒探测器的主要目的是搜索太阳系外的行星，尤其是那些和地球类似的行星，以寻找是否有外星生命存在。 行星是不发光的，我们如何能通过望远镜找到遥远“太阳系”中的行星呢？当其他“太阳系”的行星轨道平面正好落在我们的视线方向上，从“侧面”看过去，那里的行星运行到宿主恒星之前时，就会遮住一部分星光，这时恒星的亮度看上去发生了微弱的变化，这种现象就叫做“凌星”。行星绕恒星每转一圈，就会遮掩一次光，如果观测时间足够长的话，就能发现恒星的亮度按照固定的周期减弱的。所以，如果能观测到某个恒星出现了这种现象，就可以推测出它带有行星。 为了能敏锐地发现凌星现象，开普勒探测器必须具备分辨恒星非常细小的亮度变化的能力。它通过望远镜的光学系统把星光聚集在由42块CCD（光电耦合器件，用来把光信号转化为电信号）组成的光度计上，能够分辨出极遥远恒星被其行星遮住时亮度发生的变化。另外，开普勒探测器也必须要连续监视一块天空才能发现凌星，为了防止太阳挡住视线，它并没有选择绕地轨道，而是被送到了地球与太阳相对的背面的一个点上，这个点与太阳、地球一起形成一条直线，是地日引力系统的一个平衡点（叫做拉格朗日点）。在这里不但不受太阳影响，还不受地球引力或大气等的干扰，非常理想。 到现在，开普勒已经发现了许多颗太阳系外行星，天文学家希望借助它的力量，能够有朝一日找到像地球一样适宜生命居住的行星。 更强大的光学望远镜 开普勒探测器都是依靠行星对恒星产生的各种影响来发现它们的，很少能对行星进行直接观测。因此，科学家们正在研制具有更强大集光能力和分辨率的光学望远镜——巨型麦哲伦望远镜，以期可以直接分辨出恒星旁边的行星。 巨型麦哲伦望远镜是美国和澳大利亚等国的9所大学和研究中心合作的项目，计划安放在智利拉塞雷纳附近的拉斯坎帕纳斯天文台，现在正在美国亚利桑那大学的足球场内进行建造。它由主镜和副镜组成，其主镜由7块直径8.4米的圆形镜片组成，每一块的个头都赶上了过去那些望远镜的整个主镜。这样组合起来的整个主镜口径达到了24.5米，使它将拥有10倍于哈勃望远镜的分辨能力。它的副镜也是最先进的，形状是可以随时改变，以消除大气的抖动对望远镜成像观测的影响。 巨型麦哲伦望远镜强大的集光能力和分辨率，使得它有能力直接观测到那些围绕着其他恒星运转的行星，这对于太阳系外行星的研究将起到非常大的推动作用。此外，巨型麦哲伦望远镜还会帮助天文学家研究星系的形成、暗物质和暗能量的性质、宇宙的最终命运等重大问题。 望远镜当然是口径越大越好，主镜面积越大，集光能力就越强，分辨率就越高，就能看到更暗的天体。科学家们正在雄心勃勃规划建造一个比巨型麦哲伦望远镜口径更大的望远镜——30米口径望远镜，整个主镜将有492块小镜片组合而成，每个小镜片都能够随时变换形状和位置。它的观测目标与巨型麦哲伦望远镜相似，但比巨型麦哲伦望远镜看得更深、更远。 穿透星际尘埃的红外望远镜 上述的望远镜都是光学望远镜，是通过可见光线来观测天体的，但是可见光只是电磁波中极窄的一个波段，波长集中在380～780纳米之间，在这个波段之外，那些功力强大的望远镜也没法接收了。这时，其他波段的望远镜登场了。 与可见光相邻、比可见光波段更长的是红外线，红外线波长在0.78微米～1毫米之间，任何温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体物体都在不停地辐射红外线，温度较高的恒星除可见光之外也会发出红外线，而温度较低的气体尘埃同样会发出红外辐射。因此，红外线望远镜能穿透浓密的星际气体和尘埃，获得更多光学望远镜得不到的信息。 即将于2013年升空的詹姆斯·韦伯空间红外望远镜，主镜由18块六边形镜片拼接而成，总面积有25平方米，相当于6米口径的圆形主镜，其功能和性能远远超过了以前的红外望远镜。 韦伯空间望远镜专注于红外波段，在天文学家的手中将会发挥极大的作用。第一代恒星和星系的出现让宇宙从黑暗时代中走出，但随着宇宙的膨胀，第一代恒星离我们越来越远，发出的光越来越远，韦伯望远镜有着强大的集光能力，所以可以看到宇宙更深处，正适合担负观测宇宙第一代恒星的职责。 韦伯望远镜还是研究恒星形成的利器，恒星在形成的时候被包裹在可见光无法穿透的星云中。韦伯望远镜可以透过浓密的气体和尘埃，得到分辨率极高的恒星照片。而环绕在新生恒星周围的气体盘同样是它观测的对象，这些气体盘是行星的雏形，可以帮助天文学家研究行星形成。另外星际气体中的有机分子也会发出红外辐射，因此，韦伯望远镜的观测有助于科学家们探寻生命真正的起源。 红外辐射来源实在太普遍了，甚至望远镜仪器本身也会发出红外线干扰观测，所以红外望远镜必须保持极低的温度。为了减少太阳的影响，韦伯望远镜也会被送入地球背面的拉格朗日点。另外它还装有巨大的多层遮光板，以隔绝来自太阳和地球的辐射。这样望远镜可以维持在30到50开的低温，从而顺利对宇宙进行红外观测。 世界上最大的望远镜阵列 对红外线波段之外的毫米和亚毫米波段的宇宙观测，科学家同样正在研制大型望远镜，正在规划中的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列，将被建在智利境北部海拔5000多米的高原上。阵列由66座大型毫米波/亚毫米波天线组成，预计在2012年建成，将成为世界上最先进的射电望远镜。 阿塔卡马阵列所观测的毫米和亚毫米波段指的是波长几百微米到大约1毫米间的电磁波。这个波段的观测可以与红外波段的观测结果互相参照，帮助天文学家观测一些让可见光无能为力的天体，例如星际尘埃和气体，另外还有第一代恒星恒星和星系。宇宙在大爆炸中诞生之后，曾经历过一段黑暗时期，在这之后诞生的第一代恒星和星系才逐渐把宇宙照亮。不过经历了几十亿年之后，随着宇宙的膨胀，这些天体发出的光，波长被不断拉长，已经从γ射线波段被拉到了亚毫米波段，而专门负责观测这个波段的阿塔卡马阵列将会帮助天文学家研究这些最早照亮宇宙的先行者们。 毫米和亚毫米波段的辐射会被大气中的水蒸气吸收，所以阿塔卡马阵列的地址选在了智利的高原上，这里空气稀薄且干燥，是全世界最好的天文观测地址。单面天线的分辨率可以达到1/3600度，相当于在15千米之外辨认出一个高尔夫球。但这其实还远远不够，阵列的真正威力在于把不同的天线接收到的信号结合起来，相当于一个接受面积等于它们之和的超级射电望远镜，而分辨率也会大大提高。 观测宇宙剧烈活动的高能望远镜 上面介绍的是观测比可见光波段更长的望远镜，比可见光波段更短的电磁波，比如紫外线、X射线、γ射线等都会被地球大气反射出去，因此只有在航天运载能力大力发展后，这些超短电磁波的天文观测才发展起来。 紫外波段是介于X射线和可见光之间的频率范围，现代紫外天文学的观测波段为10～310纳米。紫外观测要放在150公里的高度才能进行，以避开臭氧层和大气的吸收。如今，科学家已经发展了极端紫外、远紫外、紫外等多种探测卫星，覆盖了全部紫外波段。 比紫外线波长更短、能量更高的X射线的波段范围是0.01-10纳米。天体的X射线是根本无法到达地面的，因此X射线望远镜只能通过运载火箭或航天飞机向太空发射。1999年由美国哥伦比亚号航天飞机发射的钱德拉X射线太空望远镜就是一台功能强大的望远镜，它收集来自宇宙深处的高能X射线，观测黑洞吞噬、星系碰撞、超新星爆炸等剧烈的天体活动，已经获得了不菲的成果，尤其是观测到了大量的超新星爆发的壮观场面。 γ射线比X射线的波长更短、能量更高。2008年，美国宇航局的费米γ射线空间望远镜发射升空，它以从未有过的深度把高能宇宙详尽地展现在了世人的面前。它观测了不同年龄的脉冲星、γ射线暴以及几十亿光年远的星系中巨大黑洞的爆发，为我们展现了宇宙最剧烈的一面。 如今，天文望远镜已经发展到全波段观测，这些望远镜从多个层面为我们展示了巨大、深远的宇宙风貌，记录了那些激动人心的宇宙事件，使我们小小的人类竟然能一窥宇宙的全景，描绘它的来龙去脉。 |
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