圖解空間望遠鏡發(fā)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(yīng)頻率范圍是300兆赫茲～300吉赫茲。家用微波爐產(chǎn)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(lǐng)域有著更為廣泛的應(yīng)用，包括衛(wèi)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(yù)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(fā)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(fā)現(xiàn)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(lǐng)域的廣泛應(yīng)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(fā)現(xiàn)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(zhàn)的結(jié)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(xù)發(fā)現(xiàn)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(shù)。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(shù)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(wèi)星，于1989年11月18日從范登堡空軍基地發(fā)射升空，發(fā)射質(zhì)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(wèi)星制造成本低于3000萬美元，為了節(jié)省開支，COBE借鑒了同期紅外天文衛(wèi)星的許多設(shè)計。整個任務(wù)持續(xù)了4年時間，至1993年12月23日結(jié)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(guān)于早期宇宙重要的數(shù)據(jù)來源。COBE對宇宙微波背景輻射的測量結(jié)果為大爆炸宇宙學說提供了兩個關(guān)鍵證據(jù)：其一是COBE探測到的微波背景輻射數(shù)據(jù)與大爆炸理論預(yù)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(fā)機構(gòu)的一顆空間天文衛(wèi)星，主要任務(wù)是進行空間甚長基線干涉觀測，于1997年2月12日發(fā)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(wǎng)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(shè)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(shù)據(jù)。

奧丁號

“奧丁號”是瑞典的一顆探測衛(wèi)星，以北歐神話人物奧丁命名，主要應(yīng)用于天文學和高層大氣科學研究?！皧W丁號”于2001年2月20日從斯沃博德內(nèi)航天發(fā)射場升空，這個發(fā)射場位于俄羅斯阿穆爾州海蘭泡以北167公里處，于2007年關(guān)閉。衛(wèi)星軌道高度622公里、傾角98度、周期98分鐘?！皧W丁號”的主要觀測設(shè)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(jīng)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(lián)合開發(fā)的一顆宇宙學探測衛(wèi)星，于2001年6月30日由德爾它Ⅱ型火箭從卡納維拉爾角發(fā)射升空。2003年，為了紀念于2002年去世的天文學家大衛(wèi)·威爾金森，以他的名字重新命名了衛(wèi)星。威爾金森是宇宙微波背景輻射研究的先驅(qū)，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(xiàn)代標準宇宙學模型——ΛCDM模型基礎(chǔ)上的。WMAP的數(shù)據(jù)非常符合模型預(yù)言的以宇宙學常數(shù)表示的暗能量主導的宇宙。WMAP持續(xù)運行了9年時間，于 2010年10月20日正式退役。根據(jù)2012年WMAP釋放的最后一批數(shù)據(jù)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(jīng)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(xù)普朗克衛(wèi)星的觀測目標；之后宇宙經(jīng)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(xù)誕生星系、行星等我們現(xiàn)在所能見到的一切；現(xiàn)在的宇宙在暗能量的作用下處于加速膨脹之中。

普朗克衛(wèi)星

普朗克衛(wèi)星（左圖）隸屬歐空局，于2009年5月14日發(fā)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?！捌绽士恕钡闹麋R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(yīng)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℃?！捌绽士恕边\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(jù)“普朗克”的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：組成恒星和星系等的普通物質(zhì)只占宇宙總質(zhì)量和能量的4.9%；暗物質(zhì)是不可見的，但可以根據(jù)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(jù)“普朗克”數(shù)據(jù)描繪的一副宇宙歷史的藝術(shù)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(shù)據(jù)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(fā)射升空，主要工作是對銀河系內(nèi)及河外射電源的結(jié)構(gòu)和動力學研究。它的軌道最遠曾經(jīng)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(lián)系，同年5月30日宣告任務(wù)結(jié)束。