揭秘太空望遠鏡

中國空間站凌月。圖/Mickey

近期，除了中國空間站“太空出差”歸來的三位航天員之外，2021年12月25日升空的韋伯望遠鏡是天文愛好者最關注的話題之一。歷時超20年，制作、升空總耗資近100億美元，預計將于6月初開始早期科學計劃的韋伯望遠鏡可以說是迄今為止全世界最貴，也最為復雜的望遠鏡。那么韋伯為什么會那么貴，它和哈勃相比有哪些不同之處，又會執行哪些主要的宇宙探索任務？太空望遠鏡究竟是如何拍攝和工作的？我國在太空望遠鏡方面又有哪些值得關注的項目和進展？

面對大眾的諸多疑問與好奇，清華大學高等研究院在讀博士生，國內知名天文攝影師、科普人王卓驍給我們做了一次科普——

王卓驍（Mickey）清華大學高等研究院在讀博士生，研究行星系統的形成、演化。

韋伯望遠鏡近100億美元的耗資（不包括升空后會投入的運行費用），主要來自于兩個部分，一是NASA（美國國家航空航天局），約占88億美元;二是歐洲航天局，它承擔了發射費用并進行監督，同時負責制造韋伯的兩個部件。所以除了NASA的88億美元，歐洲和加拿大的航天機構一起貢獻了額外的10億美元，這使得它的總成本從2000年時的10億美元漲到了現在的近100億美元。其中NASA的支出中，許多用于調適、維護專門定制的那些高精度且不容有失的科學部件，這也就讓項目成本隨著項目周期的拉長和人力資源的不斷投入而水漲船高。

韋伯望遠鏡之所以不容有失，皆因它萬萬不可重蹈哈勃的覆轍。1990年哈勃發射后傳回的第一批圖像模糊不清，經調查后發現，是主鏡鏡面出現了偏差。雖然這個偏差只是微不足道的2微米，但卻造成了災難性的后果——明顯的球面像差，使來自鏡面邊緣的反射光不能聚集在與中央的反射光相同的焦點上，也就造成了成像的模糊——航天員們不得不進入太空對在近地軌道的它進行維修，讓其恢復正常工作。這筆維修費用為8600萬元美元，而如果這一故障在地球上就被發現且校正，維修費用只需要200萬美元。

韋伯望遠鏡外觀結構效果圖。圖/ NASA

這次“事故”給NASA上了昂貴的一課，加之韋伯望遠鏡的目的地是目前人類航天員難以抵達的日地拉格朗日L2點，所以為了確保它不發生故障，這場空前龐大和復雜的工程在地球上持續了20年。

舉例來說，韋伯需要在零下233攝氏度的極寒條件下使用紅外攝像機工作，為保護望遠鏡免遭太陽熱輻射的傷害，NASA做了一面網球場大小（長22米，寬11米），由五層反射率極高的材料制成的遮陽帆，它可以承受極端的溫度波動，并阻擋會損傷望遠鏡的一些粒子。同時，因為天文望遠鏡還配備有相機，要維持它的運作需要有一臺能提供接近絕對零度的溫度，且自身又能在極端溫度下正常運轉的低溫冷卻器，最終這臺冷卻器的開發花掉了NASA大約1.5億美元。

韋伯望遠鏡校準照片。圖/ NASA

韋伯和哈勃的差異主要存在于幾個方面：

首先在于外形大小，哈勃長12米，重約11噸，韋伯長22米，重6.2噸;望遠鏡有效孔徑，哈勃是2.4米，韋伯則有6.5米。

其次，它們的鏡面設計也存在不同。哈勃的鏡面是一個單獨的圓形鏡面，而韋伯的鏡面則是由18塊長約1米的六邊形鏡面拼接而成的蜂窩結構。之所以采用拼接方式，是因為目前人類所研發的大型運載火箭（如長征五號，以及承擔本次韋伯發射任務的阿里亞納5）仍無法發射直徑大于5米的物體。因而韋伯是被折疊后發射的，抵達目的地后再通過程序進行組裝。也正因如此，韋伯不需要跟哈勃一樣配上笨重的外殼，它只要花費2到3周的時間，把鏡片展開、撐起支架就能和地面上許多科研望遠鏡一樣，把自己遮蔽在黑暗環境中，屏蔽外界雜光。

第三是軌道不同帶來的不同觀測效果。哈勃位于離地面500多公里的近地軌道，大約95分鐘繞地球一圈，它會不停經歷日出日落的太陽光線干擾。反觀韋伯，它的高度甚至已經遠遠超出了月球的軌道，在距離地球100多萬公里外的日地拉格朗日L2點上。這是天文學家們夢寐以求的探測儀器放置點，因為在這個位置上，儀器幾乎可以和地球同步繞太陽穩定轉動，既不會被日出日落所干擾，也不會被地球上散發的各種紅外輻射所影響。

第四是它們的工作波段不同。哈勃空間望遠鏡主要是一臺光學望遠鏡，捕捉的是我們熟悉的380～760納米這樣一個光學波段，與人眼差不多，僅向紅外線和紫外線波段稍微擴展了一些。而韋伯望遠鏡被設計成完全在紅外波段內進行觀測，幾乎不會觸及人眼能看到的最“紅”的波段。換句話說，它將研究對人類的肉眼來說“看不到”的對象。

哈勃（上圖）和韋伯（下圖）的鏡頭對比 圖/ NASA

綜合以上幾點，韋伯雖然被許多媒體稱為哈勃的“繼任者”，但嚴格來說它們之間并不是替代關系，而是一種互補。至于哈勃是否會“退休”，這取決于它的燃料剩余。太空望遠鏡也好，人造衛星也罷，只要維持其運作的燃料沒有耗盡，那就可以繼續工作，一旦燃料耗盡，就會跌出其運行軌道，再入大氣層，或者成為太空垃圾。目前NASA對韋伯的預計使用壽命是20年，但只要燃料沒有耗盡，那它依然可以“延遲退休”。

哈勃和韋伯的軌道與地球的距離。圖/ NASA

韋伯升空后，許多媒體報道，它將首先觀測一顆距離地球大約260光年，位于大熊座、編號為HD84406的類太陽恒星。這是否就是它的主要科學任務之一？事實上并非如此。

韋伯望遠鏡升空以來的lDPQUshNtBSXoPiK/MrPdA==首張清晰照片，圖像最亮紅點為恒星（2MASS J17554042+6551277），背景中其他小亮點為星系與其他恒星。圖/ NASA

觀測HD84406是韋伯升空后的一次試驗性校準。因為它是一臺光學儀器，跟所有科學儀器一樣，組裝后要做的第一件事就是校準。用這樣一顆標準的恒星為參照，選擇恰當的亮度、觀測時機等，進行相關的校準，這和人類攝影師拍攝前要調整檢測光線、對焦、白平衡等等是一樣的。

在完成這一系列校準工作后，韋伯會開始它最重要的一項科學任務——以其高敏感的紅外波段捕捉宇宙誕生至今的100多億年以來，在其演化過程中，可見光穿行后紅移的過程。在物理學和天文學領域，紅移指物體的電磁輻射由于某種原因波長增加的現象，在可見光波段，表現為光譜的譜線朝紅端移動了一段距離，即波長變長、頻率降低。宇宙中最早誕生的那些恒星，它們的光若是可以被我們“看到”，那很可能已經發生紅移，所以我們要用紅外觀測，才能“看到”宇宙早期這些恒星所發出的清晰光芒，這也就是為什么韋伯的主要科學任務被理解為觀測宇宙“嬰兒期”的模樣。

韋伯的第一批正式科研圖像將在2022年年中送回地球，科學家們和廣大天文愛好者都十分關心韋伯究竟能“看到”什么，比如第一顆恒星是什么時候誕生的，它誕生時是什么樣子，有哪些性質，和今天太陽周圍的恒星有哪些差異等等，這些問題可能都會由韋伯所傳回的圖像揭秘。

也有人擔心，韋伯既然能夠“看到”過去，這是否就意味著人類能通過它的觀測知曉一部分的宇宙普遍發展規律，從而“預知”我們星系乃至星球的未來，產生宿命論般的既定感？但事實上，看到過去，不等于預知未來。就好比我們談進化論，生物會進化，這是確定的，但它究竟會進化成什么具體的模樣，這是無法做判斷的。這種思考更接近哲學討論所帶來的困惑，但若用數學來解釋，我們能清晰得看到它背后的邏輯。

從微觀的角度來說，天文學在用量子力學來描述這個世界。量子力學確切地告訴我們，微觀粒子是具有不確定性的，它的描述是概率性的。所以從這個角度來說，我們的宇宙完全沒有決定論，也完全沒有宿命論，我們所知僅限于它只有一個概率，至于這個概率究竟落在哪兒，這是一個隨機事件。

從宏觀來說，天文學是基于愛因斯坦廣義相對論，外加牛頓力學的一些理論和知識去研究宇宙的形成演化。從某種程度上來說，我們的確可以運用現有的理論來預測它的未來，比如這些星系是怎么演化的，它會變成什么樣的結構。不過在實際的研究中，即便一切都是基于基礎原理展開的，龐大而復雜的宇宙系統模型中卻包含了無法窮盡的隨機事件，這在數學意義上注定了未來無法被清晰而具體地預知，在數學上這也被稱為“混沌”理論。當然，如果我們擁有無限強大的計算能力，或許是可以窮盡這些數學公式來獲得一個唯一的解，但數學也告訴我們，無限只是“逼近”，而非真正存在。

4月16日，神舟十三號飛行乘組安全返回地面，任務取得圓滿成功，標志著空間站關鍵技術驗證階段的完美收官。與此同時，我國深空探測的快速發展，催生發展出一門多領域交叉新學科——行星科學。在行星科學的需求牽引和支持下，我國科學家將開展一系列前沿科學探索，司天工程、天鄰計劃、大口徑光學紅外望遠鏡等正有序推進。其中，中國空間站巡天望遠鏡計劃于2023年年底發射入近地軌道開展巡天觀測。

目前世界上用望遠鏡進行天文觀測有兩種模式：一種是對某個或者多個已知目標進行觀測;另一種是對天空中的大片區域進行無差別掃描。后一種模式就叫做“巡天”，這種觀測能夠發現更多的未知天體。

中國空間站巡天望遠鏡，因口徑與哈勃相當，被不少天文愛好者稱為“中國的哈勃望遠鏡”，但是它的視場要比哈勃望遠鏡大300倍，也搭配了星冕儀，可以對（太陽）系外行星直接成像，這對太陽系外行星科學的研究有很大作用。作為我國研制的規模最大且科技含量最高的空間望遠鏡，空間站工程巡天望遠鏡的部分技術和功能在全世界也處于領先的第一梯隊。其大視場、高分辨的設計主要為了適應“巡天”觀測應用，如果成功運行，將彌補我國在大型空間望遠鏡領域的空白。此外，空間站巡天望遠鏡還擁有從近紫外到近紅外波段的多種濾光片。這意味著我們可以看到天體更多、更準確的顏色信息，形成更加絢麗的天文圖片，而天體的顏色可以讓天文學家獲得關于天體自身性質的寶貴信息。

2021年10月19日，觀眾在2021杭州云棲大會上觀看“仰望一號空間望遠鏡”模型。圖/ 視覺中國

除了國家層面的大型空間望遠鏡之外，有很多商業航天企業也在考慮開發一些小型的空間望遠鏡，而在商業航天領域，國內同樣也有一些值得一提的空間望遠鏡。比如“仰望一號”，它是中國第一臺空間光學/紫外望遠鏡，也是全球首個商業公司開展以小行星發現、研究、預警為目標的太空望遠鏡;再比如長光衛星技術有限公司，他們也發射了許多遙感衛星，并且這些遙感衛星也可以扭頭對天，當做空間望遠鏡來使用。不過國內這方面的商業應用還在起步階段，并不十分成熟，主要還是集中在遙感、氣象等領域上。

星野攝影一般更偏重于對我們所熟悉的夜空場景的記錄，只要有一個比較好的構圖和場景，就能得到比較令人滿意的照片，所以它和風光攝影之間結合得也比較深。

深空攝影顧名思義，是以深空天體為拍攝對象的天文攝影。它關注的是天空中的某一小片區域，借助大型的望遠鏡、穩定的跟蹤設備等，對某一片小區域進行長時間曝光得到的想要的天體照片。我們看到過的一些哈勃所拍攝的壯觀圖像，也是這么得來的，只不過哈勃的功能和拍攝位置要比在地球上的望遠鏡和深空攝影師要優越上許多。

這主要分為兩個階段：第一階段是拍攝，一般根據想要拍攝對象的不同，會花上三四小時到二十多小時不等。這取決于你的拍攝對象是否足夠明亮，拍攝對象越暗，所需要的時間就越久。第二階段是后期，這花費的時間就因人而異了。一般而言，深空攝影曝光最開始都會使用單色相機，即拍攝出來的均為黑白圖像，但是單色相機依然會記錄紅綠藍三色的波段。攝影師會基于自己的審美和愛好，對這三色的波段信息做色彩平衡方面的調整，所以如果多位攝影師拍攝相同的天體對象，得到的黑白圖像信息基本不會出現大的不同，但最后他們卻可能在后期中賦予各自深空攝影作品不盡相同的色彩。這就好像同一張照片，不同修圖師也會修出不同的效果。

面紗星云局部。圖/ Mickey

國際空間站凌日。圖/Mickey

風車星系。圖/Mickey

“能看多遠”，這是很多人都會問的一個問題，但實際上這個問題不夠合理。試想一下，你點燃一根小小的生日蠟燭，因為它的光點很小很暗，可能幾十米外就已經看不到了，但如果把蠟燭換成一盞強光燈，哪怕在幾百米甚至一公里外都能看到它。所以能否“看到”，不取決于物理距離，而取決于你想觀測的對象有多亮。

舉一個具體的例子，相比市面上望遠鏡的直徑，我們人類的眼睛非常小，小光圈只有7毫米（地球上最大的天文望遠鏡口徑在10米），但我們無需任何輔助設備，僅靠肉眼觀測，就能看到300光年外的一些星星——因為它們足夠明亮。

圖/哈勃望遠鏡

圖/哈勃望遠鏡

哈勃望遠鏡所拍攝的圖像產生了19000篇科學論文，其中許多改變了我們對宇宙的看法，隨著越來越多專業級科研太空望遠鏡的升空，在它們日復一日、年復一年的凝視中，定然會有越來越多令人難以置信的科學成果出現在人們的面前……

與此同時，相比專業性更強的深空攝影，更易上手、更易入門的星空攝影/星野攝影這兩年來成為普羅大眾了解宇宙、欣賞星空之美的一條親民路徑，星空攝影也隨之承擔起了一定的科普作用——