圖解空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)展史

文 / 葉楠

光學(xué)空間望遠(yuǎn)鏡

光學(xué)望遠(yuǎn)鏡

光學(xué)波段是指波長(zhǎng)約在400～700納米之間的電磁波，這也是我們眼睛能夠看到的波段。人類最早用“光”這個(gè)字指代的也是這個(gè)波段，故被稱為光學(xué)波段，或可見(jiàn)光波段。地球的大氣層對(duì)光學(xué)波段基本上是透明的，地基天文臺(tái)也可以觀測(cè)到這個(gè)波段的天文現(xiàn)象。所以相比其他波段，對(duì)光學(xué)空間望遠(yuǎn)鏡的需求顯得沒(méi)有那么迫切。但是地基天文臺(tái)還是會(huì)受到完全無(wú)法避免的兩大限制：一個(gè)是大氣視寧度的影響，會(huì)嚴(yán)重降低分辨率（圖為同一架望遠(yuǎn)鏡在不同視寧度下觀測(cè)木星的對(duì)比照片）；另一個(gè)是地球自轉(zhuǎn)的影響，無(wú)法進(jìn)行連續(xù)數(shù)天甚至數(shù)月的觀測(cè)。隨著對(duì)觀測(cè)精度要求越來(lái)越高，觀測(cè)目標(biāo)越來(lái)越暗弱，空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在20世紀(jì)末期迎來(lái)了屬于它的時(shí)代。

依巴谷天文衛(wèi)星

依巴谷天文衛(wèi)星的全稱是高精度視差收集衛(wèi)星，是歷史上首顆以精確測(cè)量天體亮度、位置、自行等信息為主要任務(wù)的空間望遠(yuǎn)鏡，隸屬于歐空局。它的英文首字母簡(jiǎn)稱與古希臘天文學(xué)家依巴谷一致，故得名。“依巴谷”并不是一個(gè)很大的望遠(yuǎn)鏡，口徑只有29厘米、焦距1.4米、重210千克，1989年8月8日，搭乘阿里安4型火箭從法屬圭亞那發(fā)射升空，軌道500公里×35800公里、傾角6.8度、周期10.6小時(shí)。“依巴谷”運(yùn)行了4年，其觀測(cè)數(shù)據(jù)在之后幾年被編制成依巴谷星表和第谷星表。依巴谷星表包含11.8萬(wàn)個(gè)觀測(cè)目標(biāo)數(shù)據(jù)，精度高達(dá)1毫角秒，與之前的數(shù)據(jù)相比提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)；第谷星表精度稍低，但卻囊括了全天最亮的250多萬(wàn)顆恒星。這兩個(gè)星表在現(xiàn)代天文學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）隸屬于美國(guó)宇航局大型軌道天文臺(tái)計(jì)劃中四大空間望遠(yuǎn)鏡之一，是公眾最為熟悉的一臺(tái)空間望遠(yuǎn)鏡。HST的口徑2.4米、焦距57.6米、RC式光路結(jié)構(gòu)，望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)13.2米、寬4.2米，發(fā)射質(zhì)量1.1噸。1990年4月24日，發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)攜帶HST升空，并將其放置于高度540公里的軌道上（左圖）。但HST升空后不久就發(fā)現(xiàn)成像無(wú)法精確對(duì)焦，1993年底的第一次航天飛機(jī)維護(hù)任務(wù)為HST加裝了校正光學(xué)系統(tǒng)，問(wèn)題才得以解決。直到2009年航天飛機(jī)時(shí)代謝幕，HST一共接受了5次在軌維護(hù)，此時(shí)HST的所有終端設(shè)備都已進(jìn)行了改進(jìn)。時(shí)至今日，HST已經(jīng)運(yùn)行了30年，科學(xué)成果無(wú)數(shù)，至于何時(shí)會(huì)退役，可能要依賴于詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡何時(shí)升空。

HST是一臺(tái)以光學(xué)波段為主的空間望遠(yuǎn)鏡，也就是說(shuō)它拍攝的星空理論上我們的眼睛也是有可能看到的（實(shí)際并不能），這也許是人們對(duì)HST更為親近的原因之一。右圖是HST于1995年4月1日拍攝的名為“創(chuàng)生之柱”的照片，照片主體是位于鷹狀星云核心區(qū)的新恒星誕生區(qū)。這張照片當(dāng)時(shí)在社會(huì)公眾間廣泛傳播，激發(fā)起人們對(duì)地球以外世界的關(guān)注，也拉進(jìn)了科學(xué)與公眾的距離。1998年起，正式開(kāi)啟“哈勃傳承計(jì)劃”，首次將拍攝天文科普照片納入HST的工作計(jì)劃之中。

恒星微變和振蕩望遠(yuǎn)鏡

恒星微變和振蕩望遠(yuǎn)鏡（MOST）是加拿大的第一臺(tái)空間望遠(yuǎn)鏡。它是一臺(tái)很小的望遠(yuǎn)鏡，口徑只有15厘米、焦距88厘米、重60千克，因此它還有另外一個(gè)昵稱叫“不起眼的空間望遠(yuǎn)鏡”（Humble），與當(dāng)時(shí)最大的空間望遠(yuǎn)鏡“哈勃”（Hubble）相對(duì)應(yīng)。MOST發(fā)射于2003年6月30日，軌道高度830公里。MOST的主要工作是做那些大望遠(yuǎn)鏡不可能花時(shí)間去做的事情——對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，研究其亮度變化及星震學(xué)特征。MOST正常運(yùn)行至2019年3月，由于供電系統(tǒng)故障而退役。16年間，MOST獲取了南河三、右攝提一、天倉(cāng)五等數(shù)十顆恒星的長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)。

科羅系外行星探測(cè)器

科羅系外行星探測(cè)器（CoRoT）（左圖）是法國(guó)航天局與歐空局主導(dǎo)的以系外行星搜尋和星震學(xué)探測(cè)為主要任務(wù)的空間望遠(yuǎn)鏡，于2006年12月27日發(fā)射升空，軌道高度608公里×898公里、傾角90度、周期99.7分鐘。望遠(yuǎn)鏡口徑27厘米、焦距1.1米，終端由4臺(tái)CCD組成的陣列可以提供2.7°×3.05°的視場(chǎng)。CoRoT總是背對(duì)太陽(yáng)方向進(jìn)行觀測(cè)，在北半球夏季時(shí)主要目標(biāo)為巨蛇座尾部附近天區(qū)，北半球冬季時(shí)朝向麒麟座天區(qū)。2009年，CoRoT-7b的發(fā)現(xiàn)引起人們極大的關(guān)注，這是歷史上第一顆被證實(shí)由巖石構(gòu)成的行星，也是當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)系外行星中體積最小的，右圖是其與地球和海王星的大小對(duì)比。CoRoT正常運(yùn)行至2013年，共發(fā)現(xiàn)30余顆系外行星。

開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡

開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡（左圖）是美國(guó)宇航局的一臺(tái)主要以凌星法發(fā)現(xiàn)系外行星的空間望遠(yuǎn)鏡，以行星運(yùn)動(dòng)三定律聞名于世的天文學(xué)家約翰尼斯·開(kāi)普勒的名字命名。凌星法是指如果有行星在恒星面前經(jīng)過(guò)會(huì)遮擋部分恒星的光芒，使其亮度下降，通過(guò)觀測(cè)恒星的光變曲線特征可以確定系外行星的存在。開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射于2009年3月7日，采用的是尾隨地球的日心軌道，周期為372.57天。望遠(yuǎn)鏡采用施密特式光路結(jié)構(gòu)，口徑0.95米，觀測(cè)波長(zhǎng)430～890納米。天文學(xué)家期望“開(kāi)普勒”能夠發(fā)現(xiàn)類似地球大小的系外行星。“開(kāi)普勒”也確實(shí)爭(zhēng)氣，計(jì)劃服役3.5年，實(shí)際運(yùn)行至2018年。

迄今為止，人類共發(fā)現(xiàn)了4000多顆系外行星，其中2600多顆來(lái)自于“開(kāi)普勒”，是所有望遠(yuǎn)鏡里發(fā)現(xiàn)系外行星數(shù)量最多的。開(kāi)普勒-452b也被昵稱為地球2.0，2015年7月美國(guó)宇航局公布了“開(kāi)普勒”的這一發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是地球的5倍，表面重力是地球的2倍，半徑是地球的1.5倍，圍繞一顆與太陽(yáng)相似的G型恒星公轉(zhuǎn)，軌道半徑為1.04個(gè)天文單位，周期385天。這些與地球頗多相似的數(shù)據(jù)引起人們諸多遐想。開(kāi)普勒-186f是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆位于宜居帶內(nèi)的與地球大小相仿的行星，其半徑約是地球的1.1倍，但它圍繞公轉(zhuǎn)的恒星是一顆M型紅色恒星，表面溫度較低。右圖是開(kāi)普勒-452b與開(kāi)普勒-186f所在行星系統(tǒng)與太陽(yáng)系之比較，可見(jiàn)開(kāi)普勒-186f 大小與地球相近。

亮目標(biāo)探測(cè)器衛(wèi)星網(wǎng)

MOST的成功使加拿大對(duì)小型天文衛(wèi)星情有獨(dú)鐘，亮目標(biāo)探測(cè)器衛(wèi)星網(wǎng)（BRITE）（左圖）比MOST還要小巧，它是邊長(zhǎng)只有20厘米的方盒子形狀，重6.5千克。不過(guò)這次是加拿大與奧地利和波蘭等國(guó)家合作，從2013年2月25日至2014年8月19日間一共發(fā)射了6顆這樣的小衛(wèi)星，所以被稱為衛(wèi)星網(wǎng)，隨著最后一顆衛(wèi)星從中國(guó)的太原衛(wèi)星發(fā)射中心由長(zhǎng)征四號(hào)乙火箭送入太空，衛(wèi)星網(wǎng)終于成型。BRITE的主要工作是利用光度學(xué)和星震學(xué)來(lái)探測(cè)天空中最亮的那類OB型藍(lán)巨星，每顆衛(wèi)星視場(chǎng)達(dá)到24度×19度，聯(lián)合觀測(cè)幾乎可以覆蓋太陽(yáng)背面絕大部分天區(qū)。通過(guò)對(duì)目標(biāo)天體的長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的連續(xù)高精度光度測(cè)量，為研究這類大質(zhì)量恒星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化提供觀測(cè)證據(jù)。右圖是藝術(shù)家描繪下的藍(lán)巨星船尾座ζ，通過(guò)BRITE數(shù)據(jù)分析，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了它表面亮斑變化及恒星風(fēng)之間的確定關(guān)系。

近地天體監(jiān)測(cè)衛(wèi)星

近地天體監(jiān)測(cè)衛(wèi)星（NEOSSat）是加拿大航天局的又一顆小衛(wèi)星，外形與MOST非常相似，長(zhǎng)137厘米、寬78厘米、高38厘米、重74千克，攜帶了一架口徑15厘米、焦比f(wàn)/5.88、視場(chǎng)0.86度的馬卡式望遠(yuǎn)鏡。NEOSSat于2013年2月25日從印度薩迪什·達(dá)萬(wàn)航天中心搭乘PSLV-C20火箭發(fā)射升空。卡爾加里大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的近地空間監(jiān)測(cè)利用NEOSSat搜尋那些地球軌道附近的近地小行星，希望能夠探測(cè)到其中暗至19等的小行星。

系外行星凌星巡天衛(wèi)星

系外行星凌星巡天衛(wèi)星（TESS）是美國(guó)宇航局的一臺(tái)接替開(kāi)普勒任務(wù)的空間望遠(yuǎn)鏡，于2018年4月18日由獵鷹9火箭發(fā)射升空，被送至一個(gè)高度108000公里×375000公里、傾角37度、周期13.7天的軌道，正好是月球公轉(zhuǎn)周期的一半。“開(kāi)普勒”在系外行星搜尋領(lǐng)域做出了極大地貢獻(xiàn)，但是它的觀測(cè)天區(qū)只是天鵝座的一小片天區(qū)，而TESS的主要設(shè)備是4臺(tái)寬視場(chǎng)相機(jī)，每臺(tái)相機(jī)鏡頭口徑為100毫米、焦比為f/1.4，每臺(tái)相機(jī)配備由4個(gè)CCD組成的陣列，總像素為1600萬(wàn)，視場(chǎng)為24度×24度，4臺(tái)相機(jī)同時(shí)工作可以覆蓋24度×96度的視場(chǎng)。依靠這套快速高效的探測(cè)設(shè)備，TESS可在兩年左右時(shí)間內(nèi)完成對(duì)全天區(qū)的系外行星搜尋工作。截至2020年 3月，TESS已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了1700多顆系外行星侯選體，其中41顆已經(jīng)得到確認(rèn)。

全天天體測(cè)量干涉儀

全天天體測(cè)量干涉儀（Gaia）（左圖）是歐空局的一臺(tái)空間望遠(yuǎn)鏡，也是依巴谷天文衛(wèi)星的后續(xù)任務(wù)。Gaia于2013年12月19日升空，進(jìn)入位于地球背面的拉格朗日L2點(diǎn)利薩茹軌道，周期180天。Gaia的發(fā)射質(zhì)量達(dá)到2噸，攜帶的望遠(yuǎn)鏡主鏡并不是通常的圓形，而是有弧度的長(zhǎng)方形，大小為1.45米×0.5米，在1米×0.5米的焦平面上有106個(gè)CCD組成的高達(dá)9.378億像素的成像陣列。Gaia的觀測(cè)精度比“依巴谷”高100倍，它的主要任務(wù)是測(cè)量銀河系內(nèi)1/100，也就是大約10億顆恒星的位置、距離和自行，構(gòu)建高精度的銀河系天體三維圖像。迄今為止，Gaia依然在軌工作，還有許多意料之外的新發(fā)現(xiàn)。右圖是Gaia于2015年發(fā)現(xiàn)的矮星系A(chǔ)nt 2與大麥哲倫星系及銀河系的對(duì)比，它的大小與大麥哲倫星系相仿，但亮度卻要暗弱1萬(wàn)倍。