圖解空間望遠鏡發展史

文/ 葉楠

微波及射電空間望遠鏡

微波與宇宙背景輻射

微波及射電波段位于電磁波譜中紅外線以外的長波端，微波波段波長范圍在1毫米～1米之間，對應頻率范圍是300兆赫茲～300吉赫茲。家用微波爐產生用于給食物加熱的電磁波頻率約為2.4兆赫茲，就屬于微波波段，除此以外，微波波段在通訊領域有著更為廣泛的應用，包括衛星通訊、手機、WiFi、藍牙所使用的電磁波都位于這個波段。大爆炸宇宙學說預言了微波背景輻射（也稱宇宙背景輻射）的存在，它等效于溫度約為2.73K（約-270.42℃）黑體發出的輻射，峰值頻率為160.23吉赫茲，也屬于微波波段范圍。1964年，美國物理學家彭齊亞斯和無線電天文學家威爾遜確認發現了微波背景輻射的存在，并獲得了1978年諾貝爾物理學獎（圖為兩人與當時所用的號角型天線在一起）。由于微波波段在通訊領域的廣泛應用，因此人為的干擾因素較大，天文學家想要探尋宇宙中微弱的微波輻射，就不得不將微波望遠鏡送入太空。

射電天文學

比微波波長更長的波段我們稱之為射電波。1932年，貝爾電話實驗室的工程師卡爾·央斯基利用定向天線研究跨大西洋短波通訊的靜電干擾時，無意間發現了來自于人馬座銀河系中心的射電輻射。1937年，格羅特·雷柏在自家后院建造了一臺直徑9米的拋物面射電望遠鏡，并進行了人類歷史上首次射電巡天觀測。隨著二戰的結束，大量雷達被改裝成射電望遠鏡，20世紀60年代，射電天文學陸續發現了類星體、脈沖星、微波背景輻射和星際有機分子。由于射電波波長較長，要想獲得足夠分辨率需要將射電望遠鏡做得很大，或者依賴射電干涉技術。圖為目前世界上最大的單體射電望遠鏡FAST，口徑達到500米，位于我國貴州省平塘縣。幸運的是，射電波相對微波受到的人為干擾要小得多，絕大多數射電望遠鏡都可建在地面。

宇宙背景探測器

宇宙背景探測器（COBE）（左圖）是美國宇航局的一顆主要用來研究宇宙微波的天文衛星，于1989年11月18日從范登堡空軍基地發射升空，發射質量超過2噸，軌道高度890公里、傾角99度、周期102.5分鐘。在這個軌道上，COBE每半年時間可以對整個天球進行一次完整的巡天觀測。COBE的主要儀器包括差分微波輻射計、遠紅外分光光度計和彌漫紅外背景實驗。整個衛星制造成本低于3000萬美元，為了節省開支，COBE借鑒了同期紅外天文衛星的許多設計。整個任務持續了4年時間，至1993年12月23日結束。

宇宙微波背景輻射是宇宙中最古老的電磁輻射，充滿宇宙各個角落，是關于早期宇宙重要的數據來源。COBE對宇宙微波背景輻射的測量結果為大爆炸宇宙學說提供了兩個關鍵證據：其一是COBE探測到的微波背景輻射數據與大爆炸理論預測的溫度為2.73K（約-270.42℃）的黑體輻射譜完美吻合；其二是右圖顯示的微波背景輻射也存在非常微弱的各向異性，圖中不同顏色代表不同的輻射溫度。各向異性指的是不同方向的宇宙背景微波輻射具有不同的溫度，但差異很小，只有平均溫度2.73K的萬分之一，這種溫度漲落來自于早期宇宙密度的差異。COBE的兩位主要研究人員斯穆特和馬瑟因也因此獲得了2006年的諾貝爾物理學獎。

哈爾卡實驗室

哈爾卡實驗室（HALCA）是日本宇宙航空研究開發機構的一顆空間天文衛星，主要任務是進行空間甚長基線干涉觀測，于1997年2月12日發射升空，軌道近地點560公里、遠地點21000公里、傾角31度、周期500分鐘。它的網狀天線打開后有效口徑達到8米。由于射電波波長較長，若想獲得更高的分辨率必須增加望遠鏡口徑或進行多鏡面干涉觀測。受限于地球直徑，若想達到更長的基線，必須飛向太空。這是人類首次進行的空間甚長基線干涉觀測，當它在遠地點時，與地面射電望遠鏡同時進行觀測，可以等效一臺口徑30000公里射電望遠鏡的分辨率。HALCA設計壽命3年，實際一直運行至2005年11月，獲得了可觀的觀測數據。

奧丁號

“奧丁號”是瑞典的一顆探測衛星，以北歐神話人物奧丁命名，主要應用于天文學和高層大氣科學研究。“奧丁號”于2001年2月20日從斯沃博德內航天發射場升空，這個發射場位于俄羅斯阿穆爾州海蘭泡以北167公里處，于2007年關閉。衛星軌道高度622公里、傾角98度、周期98分鐘。“奧丁號”的主要觀測設備是一臺口徑1.1米的射電望遠鏡和一臺光學及紅外攝譜儀，它非常適合對彗星中的水汽進行研究，一共觀測了大概15顆彗星。時至今日，“奧丁號”仍在運行之中，但天文觀測的功能已經停止。

威爾金森微波各向異性探測器

威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）（左圖）是由戈達德太空飛行中心與普林斯頓大學聯合開發的一顆宇宙學探測衛星，于2001年6月30日由德爾它Ⅱ型火箭從卡納維拉爾角發射升空。2003年，為了紀念于2002年去世的天文學家大衛·威爾金森，以他的名字重新命名了衛星。威爾金森是宇宙微波背景輻射研究的先驅，也為COBE和WMAP的成功做出了卓越貢獻。WMAP被放置在圍繞拉格朗日L2點的利薩茹軌道上，它的主鏡是一對格里高利式蝶形反射鏡，口徑1.4米×1.6米，可以接收到頻率范圍23～94吉赫茲的電磁波。WMAP的主要工作是對宇宙早期背景進行溫度測量，類比于對地球大氣的溫度測量，但不同的是由于宇宙背景溫度較低，它的輻射主要集中在射電波段，而地球熱輻射主要集中在紅外波段。

WMAP的測量是建立在現代標準宇宙學模型——ΛCDM模型基礎上的。WMAP的數據非常符合模型預言的以宇宙學常數表示的暗能量主導的宇宙。WMAP持續運行了9年時間，于 2010年10月20日正式退役。根據2012年WMAP釋放的最后一批數據我們可以描繪出右圖這樣的宇宙演化圖景：宇宙年齡約為137.7億年，在大爆炸之后宇宙經歷了量子擾動時期、暴脹時期、約37.5萬年后的大爆炸余輝，這也是COBE、WMAP以及后續普朗克衛星的觀測目標；之后宇宙經歷黑暗時期，約在大爆炸4億年后第一代恒星形成，之后陸續誕生星系、行星等我們現在所能見到的一切；現在的宇宙在暗能量的作用下處于加速膨脹之中。

普朗克衛星

普朗克衛星（左圖）隸屬歐空局，于2009年5月14日發射。同COBE和WMAP類似，“普朗克”也是一臺以探測宇宙微波背景輻射為己任的空間望遠鏡，但與兩臺前輩望遠鏡相比，“普朗克”擁有更高的靈敏度和分辨率。“普朗克”的主鏡直徑是1.9米×1.5米，觀測波長延伸到紅外波段，為300微米～11.1毫米，對應頻率范圍是27吉赫茲～1太赫茲。由于紅外探測會受到儀器本身熱輻射的干擾，所以“普朗克”也采用了和其他紅外望遠鏡類似的制冷方式，可以將儀器冷卻至-273.05℃，僅僅比絕對零度高0.1℃。“普朗克”運行了4年時間，直到2012年冷卻劑耗盡，于2013年10月23日退役。

依據“普朗克”的數據可以發現：組成恒星和星系等的普通物質只占宇宙總質量和能量的4.9%；暗物質是不可見的，但可以根據其引力作用間接探測到，占26.8%；暗能量是一種能夠使宇宙加速膨脹的未知能量，占68.3%。右圖是根據“普朗克”數據描繪的一副宇宙歷史的藝術圖像（從左至右依次描繪的是：宇宙中最早的光、第一代恒星、再電離過程和第一代星系）。“普朗克”數據提供的信息表明第一代恒星的形成時間要晚于之前的估計。

射電天文號

“射電天文號”是俄羅斯的一臺空間射電望遠鏡，于2011年7月18日從拜科努爾發射升空，主要工作是對銀河系內及河外射電源的結構和動力學研究。它的軌道最遠曾經達到過39萬公里，超過月地平均距離。望遠鏡的口徑達到10米，是世界上最大的空間望遠鏡，它的觀測波長也是空間望遠鏡中最長的，能夠探測到波長1.3～92厘米的電磁輻射。與此同時，它還可以與地面望遠鏡配合進行射電干涉測量，得益于它的軌道高度，能與地面望遠鏡組成基線超過35萬公里的射電干涉陣，大大增加了射電望遠鏡的分辨率。2019年1月11日“射電天文號”與地面失去聯系，同年5月30日宣告任務結束。