本文來(lái)自微信公眾號(hào)：地球知識(shí)局 （ID：diqiuzhishiju）

航天之父康斯坦丁?齊奧爾科夫斯基說(shuō)過(guò)：“地球是人類(lèi)的搖籃，但人類(lèi)不可能永遠(yuǎn)被束縛在搖籃里?！?/p>

人類(lèi)在地球上已經(jīng)生活了 600 萬(wàn)年，我們的搖籃也一點(diǎn)點(diǎn)擴(kuò)大，從一個(gè)聚落、一片大陸到整個(gè)星球。但和浩瀚的星辰大海相比，又如此的渺小。

從遠(yuǎn)在拉格朗日點(diǎn)的詹姆斯 · 韋伯望遠(yuǎn)鏡，到藏在貴州深山里的中國(guó)天眼。為了準(zhǔn)確、全面地觀(guān)測(cè)宇宙，人類(lèi)一直在不斷改進(jìn)望遠(yuǎn)鏡。

本文將簡(jiǎn)要盤(pán)點(diǎn)一下目前仍在運(yùn)行的宇宙觀(guān)測(cè)神器。

哈勃天文望遠(yuǎn)鏡 (Hubble Space Telescope，HST)

哈勃天文望遠(yuǎn)鏡于 1990 年 4 月 24 日發(fā)射升空，并運(yùn)行至今。其軌道位置為低地球軌道，目前位于地表上方 535 公里處。

哈勃鎖定目標(biāo)非常準(zhǔn)，相當(dāng)于能把激光準(zhǔn)確照射在 320 公里外的硬幣上。哈勃可全天區(qū)范圍觀(guān)測(cè)，可觀(guān)測(cè)波段為可見(jiàn)光波段和紫外波段。

以“星系天文學(xué)之父”埃德溫?哈勃為名

（圖：wikipedia）▼

哈勃主要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和科研產(chǎn)出有：

1.測(cè)量了宇宙中不同天體的距離，對(duì)于建立宇宙距離尺度非常重要；

2.觀(guān)測(cè)到了宇宙的膨脹速度正在加速，為研究暗能量的存在和性質(zhì)提供了證據(jù)；

3.觀(guān)測(cè)到了遠(yuǎn)古星系的形成和演化過(guò)程，為研究宇宙早期提供了寶貴數(shù)據(jù)；

4.通過(guò)觀(guān)測(cè)星系和星團(tuán)的引力透鏡效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)的存在；

5.觀(guān)測(cè)到許多星系中心存在超大質(zhì)量黑洞；

6.觀(guān)測(cè)了宇宙背景輻射；

7.發(fā)現(xiàn)了柯伊伯帶中的天體和觀(guān)測(cè)了外太陽(yáng)系行星和其衛(wèi)星；

8.觀(guān)測(cè)到許多系外行星，發(fā)現(xiàn)了一些類(lèi)地行星。

9.通過(guò)觀(guān)測(cè)星云和年輕恒星，深入了解了恒星的形成過(guò)程。

迄今為止，哈勃望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)進(jìn)行了超過(guò) 150 萬(wàn)次觀(guān)測(cè)，總存檔數(shù)據(jù)超過(guò) 340TB，天文學(xué)家使用哈勃數(shù)據(jù)發(fā)表了 19000 多篇科學(xué)論文。

多年來(lái)，哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的佳作不少

比如，這張 2014 年版“創(chuàng)生之柱” ▼

再比如，Westerlund 2，絢爛如煙火 ▼

詹姆斯?韋伯空間望遠(yuǎn)鏡 (James Webb Space Telescope, JWST)

韋伯空間望遠(yuǎn)鏡原計(jì)劃于 2007 年發(fā)射，但一直推遲到 2021 年 12 月 25 日。它是 NASA、歐洲太空總署 (ESA) 和加拿大航天局 (CSA) 的合作項(xiàng)目。

韋伯空間望遠(yuǎn)鏡，長(zhǎng)這樣（底圖：wiki）▼

其軌道位置為日地系統(tǒng)的拉格朗日 L2 點(diǎn)，距離地球至少 150 萬(wàn)公里，L2 點(diǎn)可以保持背向太陽(yáng)和地球的方位，易于校準(zhǔn)和保護(hù)，而且在遠(yuǎn)離太陽(yáng)的一側(cè)，所以有利于紅外觀(guān)測(cè)。

韋伯的特長(zhǎng)在紅外觀(guān)測(cè)，它能夠看到更多，更老的恒星和星系。但 L2 軌道是不穩(wěn)定的，需要?jiǎng)恿S持望遠(yuǎn)鏡姿態(tài)和位置，目前韋伯?dāng)y帶的推進(jìn)劑足夠使用 10 年，所以它的任務(wù)目標(biāo)時(shí)間就是 10 年。

測(cè)試中的韋伯主鏡，科幻感爆棚（圖：wiki）▼

韋伯的主要科學(xué)目標(biāo)是：

1.主要的任務(wù)是觀(guān)測(cè)今天可見(jiàn)與宇宙的初期狀態(tài)；

2.尋找宇宙大爆炸后形成的第一批恒星和星系的光；

3.研究星系的形成和演化；

4.研究恒星形成，行星系統(tǒng)的演化過(guò)程和生命的起源。

韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)現(xiàn)包括但不限于首次直接拍攝系外行星、發(fā)現(xiàn)有史以來(lái)最遙遠(yuǎn)的星系、詳細(xì)觀(guān)測(cè)了系外行星的大氣層和星系碰撞時(shí)的恒星形成等，其中還包括前不久拍攝到的一個(gè)問(wèn)號(hào)形物體，引起了人們的極大關(guān)注。

韋伯望遠(yuǎn)鏡拍攝的船底座星云部分圖像

（橫屏，圖：NASA's JWST）▼

韋伯望遠(yuǎn)鏡 2022 年拍攝的南環(huán)星云

猶如一塊嵌在黑色絲絨上的藍(lán)寶石

（圖：NASA's JWST）▼

蓋亞任務(wù) (Gaia)

蓋亞任務(wù)是歐洲太空總署的太空望遠(yuǎn)鏡，致力于繪制一張精確的銀河系三維星圖。該任務(wù)于 2013 年 12 月 19 日發(fā)射升空，運(yùn)行至今，正在觀(guān)測(cè)銀河系內(nèi)外近 20 億個(gè)星體。其軌道位于日地系統(tǒng)的拉格朗日 L2 點(diǎn)。

Gaia 任務(wù)包含兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡，它們以固定的廣角進(jìn)行觀(guān)測(cè)，對(duì)觀(guān)測(cè)范圍內(nèi)的每個(gè)天體平均觀(guān)測(cè) 70 次，時(shí)長(zhǎng)持續(xù) 5 年。觀(guān)測(cè)波段為可見(jiàn)光。

工作中的蓋亞，想象圖（圖：wiki）▼

Gaia 的主要科學(xué)產(chǎn)出有：

1.測(cè)量我們太陽(yáng)系的加速度；

2.改進(jìn)近地小行星的軌道；

3.改進(jìn)恒星掩星陰影軌道預(yù)測(cè)；

4.發(fā)現(xiàn)了更多的稀有恒星、超高速恒星、新小行星和系外行星，揭示了太空中的氣態(tài)結(jié)構(gòu)；

5.揭示銀河系在早期 (大約在 100 億年前) 可能與另一個(gè)大星系并合后形成；

6.推測(cè)銀河系“厚盤(pán)”部分在 130 億年前開(kāi)始形成，距離大爆炸僅 8 億年；

7.白矮星隨著內(nèi)部的冷卻，會(huì)變成固體球體。

在 Gaia 觀(guān)測(cè)到的天體中，超過(guò) 99.9% 的天體從未被精確測(cè)量過(guò)距離。預(yù)計(jì)蓋亞任務(wù)結(jié)束時(shí)，存檔數(shù)據(jù)將超過(guò) 1PB。

使用蓋亞第三階段資料繪制的四張圖

（圖：ESA / Gaia / DPAC）▼

“悟空”暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星 (Dark Matter Particle Explorer, DAMPE)

暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星是我國(guó)第一個(gè)空間天文探測(cè)器，命名為“悟空”。由中科院紫金山天文臺(tái)主導(dǎo)，于 2015 年 12 月 17 日發(fā)射。

悟空號(hào)的軌道類(lèi)型為太陽(yáng)同步軌道，軌道高度約為 500 公里。原計(jì)劃運(yùn)行壽命為 3 年，但自從 2015 年發(fā)射后，至今仍在服役，而且工作狀態(tài)良好。悟空號(hào)共計(jì)搭載了四種不同的有效載荷，結(jié)構(gòu)如下圖。

悟空號(hào)衛(wèi)星的科學(xué)載荷結(jié)構(gòu)示意圖

（底圖：紫金山天文臺(tái)）▼

其主要科學(xué)目標(biāo)是暗物質(zhì)間接探測(cè)，次要目標(biāo)是尋找宇宙射線(xiàn)的起源和伽馬射線(xiàn)天體物理研究，主要科學(xué)產(chǎn)出有：

1.2017 年，首次在 1.5TeV 處觀(guān)測(cè)到了明顯超出的峰值；

2.給出了從 40 GeV 到 100 GeV 能段的宇宙線(xiàn)質(zhì)子精確能譜測(cè)量結(jié)果，發(fā)布了 25 GeV 和 4.6 TeV 之間正電子光譜的精確測(cè)量結(jié)果；

3.“悟空”號(hào)衛(wèi)星 530 天的運(yùn)行共計(jì)記錄到 28 億個(gè)宇宙線(xiàn)粒子, 科學(xué)家從中篩選出了約 150 萬(wàn)個(gè)高能量的電子，測(cè)量出了這些電子的能譜分布。揭示出電子能譜存在的一處拐折和一處可能的尖峰結(jié)構(gòu)；

4.記錄到明顯增強(qiáng)的伽馬射線(xiàn)爆發(fā)現(xiàn)象，這一爆發(fā)在 12 月 16 日達(dá)到了峰值；

5.測(cè)量得到的兩個(gè)最亮脈沖星的伽馬周期在 1GeV-100GeV 的能量范圍；

6.揭示了電子和正電子的通量出人意料的形狀。

悟空號(hào)在暗物質(zhì)間接探測(cè)方面，具有較強(qiáng)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

寬視場(chǎng)紅外巡天探測(cè)衛(wèi)星 (Wide-field Infrared Survey Explorer, WISE)

WISE 是 NASA 在 2009 年發(fā)射的空間紅外望遠(yuǎn)鏡，運(yùn)行期間共對(duì)約 158000 顆小行星進(jìn)行了觀(guān)測(cè)，其中包括約 34000 顆新發(fā)現(xiàn)的小行星。

該望遠(yuǎn)鏡的四個(gè)工作波長(zhǎng)分別為 3.4，4.6，12 和 22 微米，分別記為 W1，W2，W3 和 W4。到 2011 年 2 月，固態(tài)氫全部耗盡，望遠(yuǎn)鏡進(jìn)入休眠狀態(tài)。

2010 年，WISE 拍攝的 C / 2007 Q3

（圖：wikipedia）▼

WISE 拍攝的圖像（圖：NASA）▼

2013 年 8 月，WISE 被喚醒，繼續(xù)使用 W1 和 W2 波段進(jìn)行巡天觀(guān)測(cè)，并更名為 NEOWISE，用于探測(cè)近地小天體。

截止 2022 年 4 月，NEOWISE 共對(duì) 40700 個(gè)太陽(yáng)系天體進(jìn)行了超過(guò) 120 萬(wàn)次紅外測(cè)量，包括 1380 顆近地小行星和 246 顆彗星，其中發(fā)現(xiàn)了 347 顆潛在危險(xiǎn)小行星和 34 顆彗星。

NEOWISE 位于太陽(yáng)同步軌道，距離地表 525 公里，主要任務(wù)包括：

1.搜索近地小行星，為地球撞擊威脅評(píng)估提供數(shù)據(jù)；2.觀(guān)測(cè)彗星；3.研究小行星族群；4.測(cè)量小行星的大小分布和反照率。

C / 2020 F3，于 2020 年被 NEOWISE 發(fā)現(xiàn)

（圖：wikipedia）▼

凌日系外行星巡天衛(wèi)星（Transiting Exoplanet Survey Satellite, TESS）

系外行星凌星巡天衛(wèi)星是一顆由 NASA 開(kāi)發(fā)，專(zhuān)門(mén)用于探測(cè)系外行星的望遠(yuǎn)鏡，又被稱(chēng)為“苔絲”。

TESS 的軌道位于高地球軌道，為高橢圓軌道，其偏心率為 0.55，近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)的距離分別約為 10.8 萬(wàn)公里和 37.3 萬(wàn)公里。該軌道可以獲得天空南北半球的無(wú)遮圖像。

TESS 于 2018 年 4 月 18 日發(fā)射升空，預(yù)設(shè)的主要任務(wù)為 2 年，至今仍在運(yùn)行。截止 2023 年 8 月，TESS 發(fā)現(xiàn)了 373 顆已確認(rèn)的系外行星。

TESS，啟程（圖：wiki）▼

中國(guó)巡天空間望遠(yuǎn)鏡 (China Space Station Telescope, CSST)

CSST 將是中國(guó)第一個(gè)光學(xué)空間巡天望遠(yuǎn)鏡，它于 2013 年 11 月立項(xiàng)，預(yù)計(jì)在 2024 年發(fā)射，將在 400 公里高的軌道上運(yùn)行。這意味著 CSST 具備在軌維護(hù)升級(jí)的能力。

CSST 兼具大視場(chǎng)和高像質(zhì)的優(yōu)異性能，是哈勃視場(chǎng)的 300 倍。CSST 的計(jì)劃運(yùn)行期為 10 年，將對(duì) 17500 平方度的天區(qū)進(jìn)行多波段成像和無(wú)縫光譜觀(guān)測(cè)，并對(duì)遴選的天體或天區(qū)開(kāi)展精細(xì)觀(guān)測(cè)研究，以獲取數(shù)十億恒星與星系的測(cè)光數(shù)據(jù)和數(shù)億條光譜，并通過(guò)直接成像搜尋和研究太陽(yáng)系外行星。

中國(guó)巡天空間望遠(yuǎn)鏡概念圖

（圖：bao.ac.cn/ csst/）▼

CSST 的主要科學(xué)目標(biāo)有：

1.對(duì)宇宙加速膨脹、暗能量、暗物質(zhì)、星系成團(tuán)性和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的研究；

2.星系和活動(dòng)星系核，包括高紅移星系和超大質(zhì)量黑洞；

3.恒星活動(dòng)、形成和演化；

4.系外行星、原行星盤(pán)和太陽(yáng)系天體觀(guān)測(cè)研究；

5.暫現(xiàn)源 / 變?cè)春椭匾煳氖录憫?yīng)，例如引力波搜尋、高紅移伽馬射線(xiàn)暴和快速射電暴等。

“中國(guó)天眼”500 米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡 (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，F(xiàn)AST)

“中國(guó)天眼”是目前世界上第一大的球面射電望遠(yuǎn)鏡。項(xiàng)目早在 1994 年就被提出并開(kāi)始進(jìn)行預(yù)研工作。到 2020 年 1 月 11 日通過(guò)驗(yàn)收，正式開(kāi)始運(yùn)行。

因?yàn)樘祗w目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)，所以中國(guó)天眼在跟蹤觀(guān)測(cè)時(shí)，拋物面要一直不停地跟蹤變化。于是，反射面不斷變形，懸掛在鋼索上饋源也要進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。

為了支持這一功能，中國(guó)科學(xué)家將 4450 塊三角形主動(dòng)反射面安裝在球形的大網(wǎng)兜內(nèi)表層，大網(wǎng)兜的 2225 個(gè)節(jié)點(diǎn)形成了 4450 個(gè)三角形區(qū)域，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有斜拉的鋼索，連接到地面，鋼索下面有液壓促動(dòng)器往下拽鋼索，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以雙向運(yùn)動(dòng)。通過(guò)聯(lián)合控制，精確調(diào)節(jié)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)距離，就可以使得球面變形成拋物面，實(shí)現(xiàn)變形。

其科學(xué)目標(biāo)有：

1.大規(guī)模中性氫的巡天調(diào)查，繪制宇宙早期圖像；

2.建立脈沖星計(jì)時(shí)陣，參與未來(lái)脈沖星自主導(dǎo)航和引力波探測(cè)；

3.主導(dǎo)國(guó)際甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉測(cè)量網(wǎng)，探測(cè)天體的超精細(xì)結(jié)構(gòu)；

4.檢測(cè)星際通信訊號(hào)，參與地外文明搜索。

上述神器是當(dāng)前最為引人矚目的天文觀(guān)測(cè)設(shè)備，為天文學(xué)家們帶來(lái)了豐富的科學(xué)產(chǎn)出。中國(guó)在某些方面處于國(guó)際前沿地位，例如在暗物質(zhì)探測(cè)和射電望遠(yuǎn)鏡領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。而在光和熱紅外波段，與國(guó)際先進(jìn)水平仍存在較大差距。

隨著天文學(xué)的發(fā)展，未來(lái)將需要更大口徑的空間望遠(yuǎn)鏡來(lái)捕捉更多微弱天體的光線(xiàn)。目前已經(jīng)出現(xiàn)了一些針對(duì)未來(lái)空間望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)概念，例如大口徑先進(jìn)技術(shù)空間望遠(yuǎn)鏡和單孔徑遠(yuǎn)紅外天文觀(guān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡。這些觀(guān)測(cè)神器將極大地提高人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)知。

參考資料：

• 1.https://idea.cas.cn/viewdoc.action?docid=56176；

• 2.https://fast.bao.ac.cn/；

• 3.https://zh.wikipedia.org；

• 4.https://exoplanets.nasa.gov/tess/

• 5.https://www.cas.cn/zt/kjzt/awzlztcwxgc/awztcwxzxjz/201512/t20151217_4498617.shtml；

• 6.https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/main/index.htm；

• 7.https://www.jwst.nasa.gov/；

• 8.https://solarsystem.nasa.gov/missions/gaia/in-depth/；

• 9.http://pmo.cas.cn/dampe/

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