遙望宇宙深處的“眼睛”

時間如何開始？宇宙如何起源？生命從何而來，又向何處去？人類是否是宇宙中唯一的智慧生命？外星人存在嗎？如果存在他們又在哪兒呢？占宇宙質(zhì)量絕大部分的暗物質(zhì)和暗能量，它們的本質(zhì)是什么？古往今來，人們孜孜不倦地思考著這些問題。這些問題的研究和突破依賴于已歷經(jīng)400年發(fā)展進(jìn)步、不斷壯大的天文望遠(yuǎn)鏡。

望遠(yuǎn)鏡的誕生：為科學(xué)獻(xiàn)身的伽利略

古人的智慧是偉大的，早在東漢時期，天文學(xué)家張衡就發(fā)明了世界上最早的天文望遠(yuǎn)鏡—渾天儀;元代天文學(xué)家郭守敬1276年創(chuàng)制的簡儀，是最早的赤道經(jīng)緯儀。現(xiàn)代光學(xué)天文觀測從何而起呢？

1609年，意大利科學(xué)家伽利略研制出第一臺應(yīng)用于天文觀測的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡具有增強(qiáng)聚光能力和放大視角的作用。最初他制作的簡易望遠(yuǎn)鏡只能放大3倍，經(jīng)過幾個月的改進(jìn)，伽利略制成了可放大32倍的望遠(yuǎn)鏡。伽利略用這個劃時代的天文儀器觀測到一些令人驚奇的現(xiàn)象：奪目的太陽上竟然有黑子;月亮上有的地方平原千里，有的地方卻高山聳峙;木星有四個小衛(wèi)星圍繞其旋轉(zhuǎn)，而且它們的位置是經(jīng)常變化的，就像月亮圍繞地球旋轉(zhuǎn)一樣。后來，伽利略還發(fā)現(xiàn)了金星的位相變化，從而證明金星是繞太陽運(yùn)行的，銀河系是由許多恒星組成的。于是，伽利略堅定了對地動說的信念。這一系列發(fā)現(xiàn)轟動了歐洲。由于他堅持捍衛(wèi)哥白尼的日心說，1633年，教廷把年邁的伽利略召到羅馬進(jìn)行審判。他被判有罪入獄，直到300多年后才獲平反。

1611年，德國科學(xué)家開普勒發(fā)明了物鏡和目鏡均采用凸透鏡的另一種折射式望遠(yuǎn)鏡。這種望遠(yuǎn)鏡的目鏡在物鏡焦點之后，可以放置十字絲。由于不同的光在介質(zhì)中有著不同的折射率，折射望遠(yuǎn)鏡不可避免地存在色差。17世紀(jì)，解決色差的辦法是把焦距加長：當(dāng)焦距足夠長時，色差就變得可以忽略了。然而，焦距決定了鏡筒的長度，使得當(dāng)時最長的望遠(yuǎn)鏡有45米。這便是早期的透射式光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展：大口徑反射式望遠(yuǎn)鏡時代

既然透射式望遠(yuǎn)鏡有許多不足之處，那么有沒有更好的光學(xué)結(jié)構(gòu)呢？1663年，英國數(shù)學(xué)家詹姆斯·格里高利設(shè)計了格里高利望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有先進(jìn)的設(shè)計理念，可消除球差（球差是球面反射鏡作為主鏡時，它對光線的成像作用與標(biāo)準(zhǔn)拋物面反射鏡相比的差距造成的單色像差），沒有色差（色差是用白光進(jìn)行成像時，通過透鏡的不同色光有不同折射率，呈現(xiàn)出因不同色光的光路差別而引起的像差）。主鏡為拋物面，次鏡為橢球面，位于主焦點之后，可設(shè)置視場光闌。但受加工和檢測水平的限制，該望遠(yuǎn)鏡當(dāng)時并未被成功研制出來。

1668年，牛頓設(shè)計并制作了第一臺反射式望遠(yuǎn)鏡，球面主鏡口徑為2.5厘米，鏡筒長15厘米，采用45°反射鏡將焦點移出鏡筒以便于觀測。特點為視場小，軸外彗差（一種類似彗星形狀的變形）大，體積大。1672年，法國科學(xué)家卡塞格林提出卡塞格林望遠(yuǎn)鏡方案，與格里高利方案類似，但鏡筒更短。卡塞格林望遠(yuǎn)鏡是現(xiàn)代天文觀測的基石，后來也出現(xiàn)了多種不同用途的變種。采用凹拋物面主鏡和凸雙曲面次鏡，主鏡中心穿孔以讓光線通過而到達(dá)目鏡、照相機(jī)或感光器材。特點為成像視場較大、球差校正較好、放大倍率大。

近代以來，大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展才真正意義上將反射式望遠(yuǎn)鏡和透射式望遠(yuǎn)鏡徹底分開，并占據(jù)統(tǒng)治地位。天文學(xué)是一門觀測科學(xué)，科學(xué)需求隨著觀測水平和技術(shù)的發(fā)展不斷提高，大口徑是獲取更高集光能力、更高空間分辨率、更高時間分辨率和光譜分辨率的永恒追求。反射式大口徑望遠(yuǎn)鏡同透射式大口徑望遠(yuǎn)鏡相比，具有無色差、對材料均勻性要求低、重量較輕、尺寸相對較小、結(jié)構(gòu)簡單、容易運(yùn)行和維護(hù)等優(yōu)勢。

1917年建立的胡克望遠(yuǎn)鏡第一次揭示了銀河系的真實大小。20世紀(jì)70年代，4～6米級反射式望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)了井噴式發(fā)展。目前世界上最大的反射式光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是位于夏威夷島上的凱克望遠(yuǎn)鏡，口徑達(dá)10米。而正在研制的GMT望遠(yuǎn)鏡和TMT望遠(yuǎn)鏡口徑分別達(dá)到了22米和30米。

當(dāng)然，在望遠(yuǎn)鏡的大家族里，并不只有光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，還有射電望遠(yuǎn)鏡。射電望遠(yuǎn)鏡的原理與反射式光學(xué)望遠(yuǎn)鏡相似，入射的電磁波被反射鏡面反射后，同相到達(dá)公共焦點。用旋轉(zhuǎn)拋物面作為鏡面易于實現(xiàn)同相聚焦，因此，我們看到的射電望遠(yuǎn)鏡鏡面往往是拋物面。由焦點處的定向天線收集來自宇宙的射電輻射，接收機(jī)將這些信號加工、轉(zhuǎn)化為可供記錄、顯示的形式，最后進(jìn)行后期分析處理。

不論是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，還是射電望遠(yuǎn)鏡，在未來，更大口徑依然是望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展趨勢。同時，研究者也在尋求更好的平臺，如空間、月球以及其他星系等。

正如美國國家航空航天局的丹·丁爾所說：“大型望遠(yuǎn)鏡對于天體物理和天文學(xué)就像運(yùn)算速度對于計算機(jī)那么重要，我們想直接看到宇宙大爆炸的邊緣，我們想直接看到環(huán)繞其他恒星的星球。我們需要更大的望遠(yuǎn)鏡。”

望遠(yuǎn)鏡的意義：以天之語，解物之道

天文學(xué)家在宇宙觀測時獲取信息的通道有：電磁波、宇宙線、中微子、引力波。其中，電磁波是獲取信息的主要通道。

當(dāng)前，天體物理提出了很多重要問題。“兩暗、一黑、三起源”（兩暗—暗能量、暗物質(zhì);一黑—黑洞及致密天體;三起源—宇宙起源、天體起源、生命起源）是當(dāng)今亟待解決的重大核心天文學(xué)和物理學(xué)問題，探究的過程將驅(qū)動天文學(xué)進(jìn)入一個新的跨越式發(fā)展期。

具體來說，通過進(jìn)一步精確測量宇宙各時期的哈勃參量，可能發(fā)現(xiàn)宇宙是如何加速膨脹的，從而確定暗能量是否隨時間變化。這對于人類認(rèn)識宇宙具有重要的科學(xué)意義：如果暗能量是隨時間變大的，宇宙終將分崩離析，進(jìn)入所謂大撕裂狀態(tài);如果暗能量是隨時間變小的，宇宙終將重新聚合在一起，進(jìn)入所謂大坍塌狀態(tài)。

在激光通信領(lǐng)域，2016年我國墨子號量子科學(xué)實驗衛(wèi)星專項的星地高速量子密鑰分發(fā)實驗中，中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所研制的4個地面站（望遠(yuǎn)鏡）對量子密鑰分發(fā)實驗起到了至關(guān)重要的作用。實驗中，衛(wèi)星捕捉到地面站發(fā)來的光束（信標(biāo)光），并將該光束會聚到探測器中心;捕獲完成后，衛(wèi)星發(fā)出一光束，該光束準(zhǔn)確地指向地面望遠(yuǎn)鏡;地面望遠(yuǎn)鏡接收到光束，完成捕獲過程，使得衛(wèi)星和地面站最終達(dá)到通信連接狀態(tài)。

太陽大氣探測也是如今天文學(xué)以及天體物理學(xué)領(lǐng)域的一個重要問題。太陽是距離地球最近的恒星，如果能更加了解它，就有助于我們探索宇宙的奧秘，同時預(yù)防太陽對地球的危害。望遠(yuǎn)鏡的其他應(yīng)用還有衛(wèi)星成像、激光雷達(dá)等。

自1609年伽利略發(fā)明了第一臺應(yīng)用于天文觀測的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡后，400多年來，天文望遠(yuǎn)鏡經(jīng)歷了翻天覆地的發(fā)展變化，從折射式到反射式，從小到大，從單口徑到多口徑，從地面到空間，如今形成的望遠(yuǎn)鏡家族也不僅僅用于天文觀測。幾百年的時間里，天文學(xué)家借助越來越先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡獲得了豐碩的成果，讓我們對太陽系、銀河系、河外星系甚至整個宇宙的認(rèn)識產(chǎn)生了一次次重大飛躍，極大地推動了現(xiàn)代天文學(xué)和物理學(xué)理論的發(fā)展。

“路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索。”畏葸不前只會錯失良機(jī)。我們相信，作為人類對話宇宙的利器，望遠(yuǎn)鏡及其傳奇故事必將繼續(xù)演繹下去，譜寫出新的篇章。