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[国内热点] 中国最昂贵、也最先进的望远镜即将运行,试图去看宇宙中那些看不见的东西

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瞭望智库 发表于 2021-9-12 09:10:53 | 显示全部楼层 |阅读模式


自1990年发射升空以来,哈勃望远镜已经帮助人们观测宇宙31年了。今年6月,哈勃望远镜停止运行。直到7月17日,美国航天局发布消息表示哈勃望远镜已经完成修复。此前早在2008年,哈勃望远镜也经历了类似的维修。

哈勃望远镜是一台能够在很小的视野范围里,非常精细地观察天空的望远镜。在今天,如果我们想在空间站上造一台望远镜,怎样才能够超越这样一个传奇,更多地探索宇宙的知识呢?我们不能固步自封,时间已经过去了30年。

其实是有办法的——“巡天空间望远镜”将是有史以来中国天文学界获得的最昂贵、也是最先进的观测仪器,在未来几年,它将会发射到太空轨道上去。

我国为什么要做这样一台望远镜?它将会开展哪些科学工作?

文 | 李然

本文转载自微信公众号“格致论道讲坛”(ID:SELFtalks),原文首发于2021年8月31日,原标题为《这将是中国有史以来最昂贵、也最先进的望远镜 | 李然》,不代表瞭望智库观点。

1

为什么要建造望远镜?

 


从下图中,我们可以看到:一个人站在荒漠上看向远方的时候,他看到的是非常美丽的银河横亘在天际之中。

 

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图/ESO/P. Horálek

 

这条银河由无数的恒星构成,其中有一些小小的红色云状物,那可能是一些恒星的形成区域。在这张图上,我们也可以看到黑色的暗道,它是银河的尘埃遮挡了更远处的恒星所造成的。

 

一个人在荒原上,不依赖任何仪器去看向这个宇宙。他可以通过看到的星空了解自己在整个宇宙中的位置,虽然感受到自己在宇宙中的渺小,但其思考在这样一个浩瀚的宇宙中却极具意义。

 

但是,必须要和大家讲的一点是,这张照片某种程度上并不是真实的。因为当我们到野外去的时候,肉眼看不到这么漂亮的星空。

 

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肉眼观察(左)和相机拍摄(右)

 

我们可以看到上图中的对比。左图是我们肉眼看到的银河的样子,而右边是我们用相机拍摄到的银河的样子。

 

我们的眼睛太小了,所能用于接收光的面积非常小。所以,当我们去看星河的时候,看到一条银色的条带。如果没有现代的科技知识,我们并不知道这个银色的条带是什么。

 

这也是所有古代人面对的困难。他看夜空的时候,会觉得非常美丽,但很遗憾的是,他的眼睛并不是为这个夜空进化而来的。他能够看到有些东西在发光,但不知道这是什么,也不知道这条银河是什么。人类编出各种各样的神话故事来解释它,希腊神话认为它是一条牛奶路。我们中国的古代神话认为它是一条长河横亘在天际之间,使得牛郎和织女分隔在河的两边,不能相见。

 

科学家改变了这一切。伽利略在1609年的时候,第一次将望远镜指向了天空,他发现几件非常让人震惊的事情。

 

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伽利略和第一架天文望远镜

 

他看到月球上有很多环形山和岩石,并不像人们想象中那样是一个由巨大奶酪构成的圆球。当他用望远镜指向银河的时候,还发现银河由非常多星星构成,并不是一条弥漫在空中的发光的长带。从那时开始,人类能够真正用科学的武器去了解银河,而不仅仅只诉诸于感性。

 

我们可以思考一下,与肉眼相比,伽利略的望远镜到底有什么所长呢?那就是它有一个透镜。这个透镜可以汇聚来自宇宙的光线。虽然伽利略的望远镜所用的透镜的不大,但它接受光线的能力已经比人的眼睛要强50倍。如果想要看得比伽利略更远,就需要去造一个更大的镜子。

 

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图/Leisure Hour, Nov 2,1867, page 729

 

左边的这张图是威廉·赫歇尔和他的妹妹卡罗琳·赫歇尔。在17世纪末的时候,他们建造了一台在当时非常巨大的望远镜。从右图中我们可以看到,这个望远镜大概有几层楼那么高。它的主镜,即用来接收光的镜面的直径有一米多,相比之下人类的瞳孔只有几毫米。

 

非常有意思的是,威廉·赫歇尔其实还是一位音乐家,他在英国的一个叫做巴斯的地方演奏。英国的冬天非常冷,这个地方也不例外,所以冬天没有人到这个地方来疗养。他觉得很无聊,就在书店里买到了天文学的书籍。阅读这些书籍催生他的一个想法:为什么我不自己做一个望远镜呢?结果,他做出来了一台当时其他所有的专业天文学家都没办法做出来的望远镜。

 

赫歇尔兄妹用这台望远镜做了很多重要的研究,其中一件就是发现了天王星。人类依赖肉眼能够看到的行星有水星、金星、火星、木星和土星。当赫歇尔造了大望远镜之后,人类才又一次发现了一颗新的行星——天王星。

 

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赫歇尔的银河恒星计数和银河边界探索

 

他还用这台望远镜去扫视我们的天空,向各个方向去数星星。有的方向星星少,他就猜这个方向银河的边界比较近;另一个方向的恒星多,他就猜那个方向的银河边界比较远。他用这样的方法画出了近代历史上第一张银河系的地图。虽然并不是那么准确,但这是人类第一次利用科学的力量去测绘宇宙到底是什么样的。

 

时间推移,到了19世纪末20世纪初的时候,人们建造了更大的望远镜,最有名的就是胡克望远镜。胡克是一名非常有钱的商人,他资助建造了一个口径两米的望远镜。年轻的天文学家埃德温·哈勃,用这样一架望远镜去观察一些叫做星云的东西。

 

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胡克望远镜(左)和埃德温·哈勃(Edwin Hubble)(右)

 

人肉眼能够看到的天上的星星大概有6000颗。那夜空中除了星星以外还有什么?你会发现还有一些非常亮的云雾一样的天体,这些就是星云。它们是什么?它们是银河系中的气体被恒星照亮了吗?还是说它们是在遥远距离上的巨量恒星构成的世界呢?

 

1923年,哈勃用胡克望远镜在其中一朵星云周围找到了一颗可以测量距离的恒星。通过测量距离就可以知道,这朵在宇宙中发光的云,它的距离要远远超过任何一个银河系内恒星的距离。一个天体离我们越远,它就会显得越暗。那这个离我们非常远的天体,它本来应该是很亮的。有多亮呢?它其实和银河系一样亮,甚至恒星的数目可能比银河系更多,包含着上百亿、上千亿颗璀璨的恒星。

 

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图/THE CARNEGIE OBSERVATORIES

 

我们看到这张图片是一个照相干板。在哈勃的时代,人们在一个玻璃上面涂抹感光涂层,将它放置在望远镜成像的地方。如果某个区域接收到的光越多,化学反应就会越强烈,会看到这个地方越黑。所以,这张图上最黑的地方是恒星最密集的地方。

 

哈勃在这张照片的右上角用红色标注了三个字VAR。VAR指变星,这颗星的光度在周期性的变化。这颗星的距离是可以测定的,对它的测量改变了我们对宇宙认知的历史。

2

为什么要把望远镜放到天上去?



我们想要建造更大的望远镜是因为要接收到更多的光,这样才能看到更暗的天体。但除了观察暗弱的天体,天文学家还想要把天体看得越来越清晰。

 

我们用肉眼去看远处的一个东西,可能会看到它是模模糊糊的一团。但当我拿一个望远镜去观察它的时候,就会发现那个东西可能是一只大熊猫。望远镜可以帮助我们分辨远处的物体。

 

当我们去看宇宙的时候,我们也想去分辨出来宇宙里的一些天体的结构。只有我们知道了它的结构,我们才能了解它的起源,才能了解它的演化。

 

于是,人类就想建更大的望远镜。但你会发现,在地面上不管把望远镜建到多大,我们都很难非常清楚地在可见光的波段去分辨一些遥远天体的细节。为什么?因为大气在抖动,我们的地球被包裹在一个100公里左右厚度的大气中,这个大气在不断的抖动。望远镜透过大气去观察宇宙的时候,不可避免地受到大气抖动的影响,观察到的图像就会模糊,所以就有人想把望远镜放到大气层外,放到地球轨道上面去。

 

1946年,美国的天文学家莱曼·斯皮策就想到这件事情。这是一件非常惊人的事情,因为1946年人类还没有把任何东西放到轨道上去,但是天文学家说应该把望远镜放上去。

 

到了1990年的时候,美国宇航局终于把一个光学望远镜放到了轨道上,就是我们知道的哈勃望远镜。哈勃望远镜经历了非常多的波折,从概念提出到建成,用了40多年才进入到宇宙中。

 

然而,当哈勃望远镜开始运行,人们发现它出了问题。在地面上磨制镜面的时候,留下了一点非常微小的误差。结果它虽然到了太空中,看所有的星星还是模糊的。

 

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放在太空轨道上的哈勃望远镜(左)和进行太空维修作业的航天员(右)

 

美国的航天员不得不又经过了600个小时的太空维修,给它安装了一个改正镜。这就像我们很多人,需要戴一个眼镜就可以看得更清楚,人们不得不给哈勃再戴一个眼镜,才能够让它看得更清楚。 

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地面望远镜(左)和哈勃望远镜(右)观看的IC 4710星系

 

哈勃望远镜最终没有辜负人们的等待。我们可以看到左图是地面望远镜拍到的一个星系的图像,非常漂亮,蓝色的、絮状的星系,很有诗意。

 

但是,我们去看右图哈勃望远镜拍到的这张图片,里面的星云分解成了一颗一颗的恒星。我们能知道它们的亮度,颜色。可以来推断这样的一个星系是如何形成的。

 

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没有什么比哈勃望远镜超深场图像更能够说明哈勃望远镜的威力。如果我们伸出自己的手,食指的指甲盖大概能够挡住一平方度的天空。如果你把手伸直,手指甲盖刚好可以挡住月球,也就是说月球的面积稍小于一平方度。

 

哈勃望远镜能够看到的天空很小。哈勃望远镜特意在天空中找了一块看起来没星系,非常黑的地方去拍摄。经过了数百小时的曝光之后,这块天区出现了上万个星系,像宝石一样从虚无一物的空间里面显现出来了。这些星系太暗了,所以只有这样的太空望远镜,才能够将它们展现给大家。

 

这样的一张图片是历史上人类所能获得的宇宙最深处的光学波段影像,最远的一些星系对应着宇宙诞生后10亿年的时刻。如果想去了解宇宙的演化,我们就要去看这张图像。这就是哈勃望远镜做到的非常棒的事情。

3

如何超越哈勃望远镜?



哈勃望远镜在1990年升空,到今年已经31年了。哈勃望远镜是一台能够在很小的视野范围里,非常精细地观察天空的望远镜。在今天,如果我们想在空间站上造一台望远镜,怎样才能够超越这样一个传奇,利用望远镜去更深地仰望我们的星空,更多地探索宇宙的知识呢?我们不能固步自封,时间已经过去了30年。

 

其实是有办法的。下面左图是一匹角马,它是生活在非洲草原上的动物。如果拿一个长焦镜头去观察它,我们可以把它观察得非常细致。但是非洲草原上可能有成千上万的角马,它们在这个草原上要迁徙,那么想研究它们的迁徙怎么办?我拿一个广角镜头去拍摄,就是下面右边的这个图像。

 

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精测模式(左)和巡天模式(右)

 

那我们想要做的是什么?中国载人航天工程想要做的是右边这样的事情,在空间站轨道上放一台望远镜,这个望远镜成像的能力和哈勃望远镜类似,但它能够同时观察成千上万的星系。

 

如果拿非洲草原做比较,我们需要的望远镜可以观察整个非洲草原上的动物迁徙,同时里面每一个动物的精细程度都要和左图是一样的。

 

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中国空间站-巡天空间望远镜(CSST)

 

这就是中国空间站巡天空间望远镜的理念。它是一台主径口径两米的望远镜,大小大概是一辆大巴车。它收集光的镜面直径两米,哈勃望远镜是两米四,我们比它稍小一点儿,但是图像质量是类似的。

 

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巡天空间望远镜与空间站共轨飞行

 

巡天空间望远镜和空间站是共轨飞行的,没有对接在空间站上。为什么不对接在空间站上呢?因为空间站会有抖动,而且空间站很亮,会让望远镜在拍照的时候受到影响。所以,巡天空间望远镜和空间站在一个轨道上,但相互距离还挺远的。

但是,巡天空间望远镜可以回到空间站,与它进行对接,更新、升级仪器。这台望远镜大概会在2024年前后投入运行。

 

我们想象一下,大家自己家里的照相机一年可以拍几次照片?巡天空间望远镜在它的整个生命周期里要拍60万次照片,将全天超过三分之一的图像送回地球上,供我们全世界所有的科学家进行研究。

4

巡天空间望远镜会带给我们什么?



当有了这个望远镜以后,我们可以做什么?

 

首先,过去所有的精测望远镜只能看到一两个星系,现在我们通过巡天空间望远镜,能够成千上百倍地去看它。很多现在看来奇怪的,稀少的天体,在巡天空间望远镜的时代都会被大量的观察到。

 

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星系高清普查

 

我们将会看到很多碰撞的星系,看到很多发生恒星爆发的星系,看到很多正在进行剧烈活动的星系,将来我们会有大量这样的图像。

 

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拍摄大尺度的近邻星系(M33: Subaru望遠鏡/ Hubble Space Telescope)和星系团(Hubble Frontier  Field)

 

其次,因为巡天望远镜视场面积很大,我们可以看一些很大的东西。比如一个近邻的星系,我们这里说的星系大小是它在天上的角尺度。一个星系如果非常远,它看起来很小,离我们非常近的时候就看起来很大。如果拿一个“长焦镜头”去拍摄近处的这些星系,需要拍摄很多次让后把照片拼起来。借助巡天空间望远镜,我们就可以一下子把整个星系拍摄到照片里,让科学家进行研究。

 

我们也可以去拍摄一些星系团,这些星系团是宇宙里最大的结构,包括成百上千个非常明亮的星系。过去哈勃望远镜花了巨量的时间极其精细地拍了其中的6个,稍微不那么精细的地拍了几十个。未来,会有数万个这样的星系团被巡天望远镜观察到。

 

但巡天望远镜要做的最重要的一件事情,不是去看宇宙中的一些明亮的天体,而是试图去看宇宙中那些看不见的东西。

 

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巡天望远镜最适于测绘暗物质全景地图

 

在我们的宇宙中,暗物质的总质量是普通物质的5倍以上。暗物质不发光,也不和普通物质发生相互碰撞。那么,怎么去看到这些看不见的物质?巡天望远镜将会观测一种叫做引力透镜的效应。所谓引力透镜并不是一个真的透镜,而是把宇宙中的一些天体当成透镜来研究宇宙。

 

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引力透镜效应

 

我们假设遥远的宇宙中有一颗恒星,或者有一个星系,它发出了光。在这个光线行进的路径上存在着宇宙中各种各样其他的天体,这些天体的存在会使得宇宙的空间微微的弯曲。

 

我们的宇宙空间会微微的弯曲,这是爱因斯坦的广义相对论中的一个效应:仅仅因为质量的存在,宇宙就会弯曲。我们存在在这儿,我们周围的空间也会微微的弯曲,但是程度非常小。天体的质量很大,它可以使宇宙的空间弯曲地稍微厉害一点儿。隔着弯曲的空间去观察遥远的宇宙,远处星系的形态就会微微变形。 

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宇宙的引力透镜效应

 

我们有点像鱼缸里的鱼,透过鱼缸去看外边的世界,这个世界实际上是有扭曲的,只是扭曲的程度非常轻微,所以我们一般感觉不到。但是,当我们有了巡天空间望远镜海量的精确的星系图像,我们可以去测量每一个星系的形状,测量出每一个星系到底是圆的还是椭圆的?到底有多椭?

 

如果宇宙中没有暗物质、物质的话,这些星系的形状会是随机分布的。有的胖一点儿,有的扁一点儿,有的朝东,有的朝西。如果存在引力透镜效应,那么这些星系的形状、摆向就不是那么随机了。如果在一个小的天空区域里去平均这些星系的形状,你会发现它有一个残余。这个残余就标志了引力透镜效应的存在,同时也帮助我们去寻找暗物质。

 

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精确地研究宇宙的全景成为可能

 

上面是一个示意图,我们去测量每一个星系的形状,然后进行一些数学分析、物理分析,就得到了右边这张红色的图像。红色里越亮的地方显示越多的物质,越黑的地方显示越少的物质。在非常大的尺度上,我们的宇宙布满了巨大的空洞和暗物质为主的巨大的纤维状网络。这里每一个空洞的大小都是我们刚才看到的那个璀璨的星系团大小的数十倍甚至上百倍。

 

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绘制暗物质宇宙的地图

 

更有意思是,所有的星系处在不同的距离,所以我们可以把它们按照距离进行分类。越远距离的星系发出来的光,到达我们的时间就越长,实际上我们看到的是它越早时期的一个图像。当把宇宙中所有的星系进行分类,并测量形状之后,科学家就可以做到一件很厉害的事情:把宇宙的物质结构的演化做出来。

 

什么叫物质结构的演化呢?物理学家认为,在最早期的时候,宇宙各个地方的密度是完全均匀的。宇宙中没有恒星、星系,没有我们看到的这个璀璨的世界。它们都是演化出来的。巡天空间望远镜将通过60万次的曝光,将三分之一的宇宙天空的图像记录下来,而且它们都有非常高的图像质量。这样的能力,使得我们有办法去研究宇宙物质的演化,不仅是可见的宇宙,还包括我们看不见的宇宙。

 

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这是人们经常用的一个示意图。图片最左边就是宇宙大爆炸。大爆炸之后,宇宙里只有最基本的粒子。随着宇宙的膨胀,这些粒子会冷却、结团,结团的地方会形成恒星。恒星聚集形成星系,星系不断地演化、合并,最后产生我们所在的这个璀璨的星系世界。未来,宇宙中数十亿的星系图像都会记录到我们人类的计算机里。大家可以随时把这些星系的数据下载到你们的电脑里观赏,或者进行科学分析。

 

我们巡天空间望远镜上不仅搭载了非常厉害的巡天相机,还有丰富的精测仪器。

其中有的仪器可以帮我们去观察星系中的碳元素;有的仪器可以让我们去看有没有行星在围绕这些恒星转;还有一个具备精测能力的相机,可以去拍摄一个小视场的、非常精确的图像;另一个非常有意思的仪器叫做积分视场光谱仪,它可以把一个星系每一个位置处都拍一条光谱,这条光谱会告诉我们星系在这个位置处各种各样的物理信息。

 

当这些丰富的精测仪器和巡天相机拍摄的图像结合到一起的时候,科学家就有能力去从一个小的尺度到一个广大的尺度,从地外行星,到恒星,再到星系,一直到我们所在的宇宙进行一个全景的了解。

 

在巡天空间望远镜运行后,我们将会迎来一个天文学的黄金时代,我很期待这个时代的到来。谢谢大家!

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