窺視宇宙奧秘的窗口

張雪松

在茫茫的宇宙太空中，群星璀璨，每一顆星球都射發(fā)著自己獨(dú)特的光芒，人類對(duì)浩瀚的宇宙充滿了敬畏和好奇。在蒙昧無(wú)知的年代，由于技術(shù)條件的限制，人類無(wú)法對(duì)宇宙的奧秘一探究竟，而到了今天，借助洞察宇宙的“千里眼”——天文望遠(yuǎn)鏡，我們不僅可以一窺宇宙的真實(shí)面目，甚至可以借助它一睹宇宙形成之初的模樣。

地面上的“千里眼”

—陸基望遠(yuǎn)鏡

1609年，當(dāng)伽利略將他研制出的世界上第一臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)人類肉眼無(wú)法分辨的星空時(shí)，竟發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)神奇的宇宙世界——月球表面凹凸不平的環(huán)形山、木星的眾多衛(wèi)星、金星的圓缺變化，以及銀河柔和光帶中多如牛毛的星星。

作為人類窺探宇宙奧秘的窗口，陸基望遠(yuǎn)鏡是人類布置在地面上、用于觀測(cè)宇宙空間的“千里眼”。自適應(yīng)光學(xué)和主動(dòng)光學(xué)技術(shù)是陸基天文望遠(yuǎn)鏡應(yīng)用的新技術(shù)，它們分別通過(guò)對(duì)大氣湍流和重力變形的糾正來(lái)提升陸基望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)能力。通常來(lái)說(shuō)，天文望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，收集到的光就越多。借助高聚光能力的鏡面，望遠(yuǎn)鏡分辨細(xì)節(jié)的本領(lǐng)也就越高，就可以“看清”更遠(yuǎn)的空間。陸基大型天文望遠(yuǎn)鏡的新發(fā)展使人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)能力達(dá)到前所未有的水平，同時(shí)也推動(dòng)了國(guó)內(nèi)外極大口徑望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的誕生，如以美國(guó)為主投資建造的25米口徑的巨型“麥哲倫”望遠(yuǎn)鏡已于2015年開(kāi)工建設(shè)，預(yù)計(jì)將于2024年建成完工；歐洲南方天文臺(tái)39米口徑的歐洲極大望遠(yuǎn)鏡也已開(kāi)工建設(shè)，預(yù)計(jì)將于2024年建成完工，兩者都將配備先進(jìn)的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)設(shè)計(jì)建造的“郭守敬”望遠(yuǎn)鏡也使用了主動(dòng)光學(xué)技術(shù)，這是目前世界上最大、最先進(jìn)的巡天望遠(yuǎn)鏡。

突破大氣層的束縛

—空間望遠(yuǎn)鏡

為進(jìn)一步提高望遠(yuǎn)鏡的分辨率，陸基天文望遠(yuǎn)鏡的口徑不斷增大，盡管有先進(jìn)的自適應(yīng)光學(xué)和主動(dòng)光學(xué)技術(shù)，但大口徑天文望遠(yuǎn)鏡極易受重力、風(fēng)力和溫度以及來(lái)自大氣層散射的背景光及紅外線等多種因素的影響，巨大的鏡面也不可避免地會(huì)變形?？茖W(xué)家為避開(kāi)大氣等不利因素的影響，提出了在太空中放置天文望遠(yuǎn)鏡的想法。

1990年，美國(guó)利用航天飛機(jī)將“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡送入太空。科學(xué)家借助該望遠(yuǎn)鏡的觀察發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹理論和黑洞的存在。它大大擴(kuò)展了人類的視野，被看作是天文學(xué)走向空間時(shí)代的一個(gè)里程碑?，F(xiàn)如今，“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)在軌運(yùn)行26年，下一代“韋伯”空間望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)將于2018年發(fā)射升空。美國(guó)的這一旗艦項(xiàng)目尚未到上天階段，但歐洲空間局已于2009年將兩部大型空間望遠(yuǎn)鏡——“赫歇爾”和“普朗克”空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空，用于觀測(cè)恒星的早期形成和星系的演化。此外，歐洲空間局還于2013年發(fā)射了掃描能力驚人的“蓋亞”巡天空間望遠(yuǎn)鏡，它將幫助我們進(jìn)一步了解銀河系的演化過(guò)程，探測(cè)類星體和太陽(yáng)系以外的行星。

由“上天”到“登月”的突破

—月基望遠(yuǎn)鏡

空間望遠(yuǎn)鏡克服了大氣層的束縛，但溫度和震動(dòng)控制等問(wèn)題依然存在，美國(guó)最新研制的“韋伯”空間望遠(yuǎn)鏡為此還特意設(shè)計(jì)了巨大的遮陽(yáng)罩。陸基望遠(yuǎn)鏡即使運(yùn)用自適應(yīng)和主動(dòng)光學(xué)技術(shù)，對(duì)大氣吸收和紅外線干擾等問(wèn)題也無(wú)能為力。

為解決這些問(wèn)題，科學(xué)家們提出了在月球觀測(cè)基地建造月基望遠(yuǎn)鏡的想法。月球表面處于超真空狀態(tài)，沒(méi)有大氣層的干擾；月球表面的重力僅為地球的1/6，月震活動(dòng)強(qiáng)度也僅約為地震活動(dòng)的億分之一，觀測(cè)環(huán)境十分穩(wěn)定。因此，月基望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)于一座永久性的太空望遠(yuǎn)鏡，能方便地進(jìn)行對(duì)各種天體的觀測(cè)。

早在阿波羅登月的時(shí)代，美國(guó)航天員就曾在月球上放置了一個(gè)簡(jiǎn)單的觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡。我國(guó)啟動(dòng)探月工程后，第一個(gè)著陸器“嫦娥三號(hào)”便于2013年攜帶了極紫外相機(jī)和近紫外月基望遠(yuǎn)鏡登月，用于觀測(cè)地球的等離子層和銀河系，并成功觀測(cè)到了雙星系統(tǒng)等一系列天文現(xiàn)象。與此同時(shí)，國(guó)際月球天文臺(tái)協(xié)會(huì)還計(jì)劃在溫度相對(duì)穩(wěn)定的月球環(huán)形山上安裝月基望遠(yuǎn)鏡?？梢灶A(yù)見(jiàn)，月基望遠(yuǎn)鏡必將在未來(lái)人類的宇宙空間探測(cè)活動(dòng)中大放異彩！