陳厚尊

空間望遠(yuǎn)鏡泛指放置于宇宙空間的一類特殊的天文望遠(yuǎn)鏡，其中名氣最大的當(dāng)屬美國(guó)航空航天局（NASA）旗下的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。這一方面當(dāng)然是因?yàn)楣臻g望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目耗資巨大，據(jù)說前前后后的投資已超過100億美元，發(fā)射與維護(hù)過程更是幾經(jīng)波折;更重要的還在于哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的工作波段涵蓋了可見光部分，其經(jīng)過特殊處理后的成圖極具美感，自成一派。在天文愛好者圈子里廣泛流行的“哈勃色”，即是一種因模仿NASA處理哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的星云照片而誕生的色彩合成法。相較之下，工作于紅外波段的斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡和工作于伽馬波段的康普頓伽馬射線天文臺(tái)就沒有那么家喻戶曉了。

有人將空間望遠(yuǎn)鏡的誕生視為繼伽利略發(fā)明天文望遠(yuǎn)鏡之后天文學(xué)發(fā)展史上的又一座重大的里程碑，因?yàn)樗鼛椭祟悢[脫了觀天視線上的最后一層屏障——大氣層，使得望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際分辨率最大程度上逼近其理論分辨率。這是一項(xiàng)了不起的成就。為了更清楚地了解這項(xiàng)技術(shù)背后非凡的意義，我們還是要從望遠(yuǎn)鏡的分辨率與口徑間的關(guān)系說起。

對(duì)一架天文望遠(yuǎn)鏡來說，最能表征其性能的參數(shù)便是口徑，也就是物鏡端的直徑大小，通常用毫米或者米來表示。這是因?yàn)閷?duì)望遠(yuǎn)鏡而言，最重要的不是它的放大能力（顯微系統(tǒng)似乎更看重這個(gè)），而是收集暗弱光線的能力——后者由望遠(yuǎn)鏡的口徑來決定。同樣一個(gè)觀測(cè)目標(biāo)，在口徑較大的望遠(yuǎn)鏡下的觀感就像視網(wǎng)膜屏上的高清圖片，即使沒有很高的放大率也能呈現(xiàn)出不錯(cuò)的觀賞效果;而在口徑較小的望遠(yuǎn)鏡下的觀感則像是打了馬賽克的小分辨率圖片，即使我們可以通過選擇焦段更短的目鏡以增加其放大率，也無濟(jì)于事。

天文望遠(yuǎn)鏡的理論分辨率通常用角秒來表征。在天文學(xué)中，角秒是一個(gè)常見的角度概念，1度=3600角秒。這里，我列出幾個(gè)數(shù)據(jù)以供參考：人的正常裸眼分辨率在60角秒左右，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的理論分辨率為0.06角秒，詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的理論分辨率為0.02角秒，太陽(yáng)系大行星的視直徑多在2角秒至40角秒，典型的光學(xué)雙星間距多在0.5角秒至20角秒。

一般來說，大氣層對(duì)天文觀測(cè)的影響主要表現(xiàn)在兩方面：一是大氣的消光作用;二是因大氣流動(dòng)導(dǎo)致的成像品質(zhì)下降。即使是一臺(tái)已經(jīng)冷卻完畢、與周圍環(huán)境達(dá)到熱學(xué)平衡的望遠(yuǎn)鏡，其鏡筒上空不斷擾動(dòng)的氣團(tuán)也會(huì)讓成像發(fā)生不規(guī)則的抖動(dòng)和扭曲，產(chǎn)生的效果就像是隔著煙囪或流水觀察目標(biāo)。對(duì)天文臺(tái)級(jí)別的大口徑望遠(yuǎn)鏡來說，糟糕的視寧度會(huì)更多地讓原本清晰銳利的星點(diǎn)發(fā)生彌散，變得好像小絨球那樣，模糊掉一些本該有的細(xì)節(jié)。天文學(xué)上用于定量描述大氣穩(wěn)定程度

的數(shù)值被稱為大氣視寧度，可以用星點(diǎn)的彌散度來表示（單位是角秒）。在通常的靜穩(wěn)大氣條件下，這個(gè)數(shù)值都徘徊在1角秒至2角秒之間。當(dāng)然，該數(shù)據(jù)也會(huì)因地而異、因時(shí)而異。條件較差的地方也許常年都在2角秒以上，條件較好的地方或許時(shí)常小于0.8角秒。鑒于此，當(dāng)?shù)氐囊晫幎韧ǔ６际堑孛嫣煳呐_(tái)在選址時(shí)必須考察的重要指標(biāo)之一（當(dāng)然，晴天率、濕度和交通便利性也同等重要）。比如夏威夷島上的莫納克亞火山山頂就是全世界公認(rèn)的視寧度最佳的地方，據(jù)說經(jīng)常出現(xiàn)優(yōu)于0.3角秒的絕佳視寧度，堪稱觀天者的奧林匹斯山。如今，那里已經(jīng)成了現(xiàn)代大型望遠(yuǎn)鏡的薈萃之地。

關(guān)于空間望遠(yuǎn)鏡的構(gòu)想最早可以追溯至1946年美國(guó)天文學(xué)家萊曼·斯皮策的一篇論文：《在地球之外的天文觀測(cè)優(yōu)勢(shì)》。上文提到的斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡正是以此君命名。在這篇論文中，斯皮策指出了空間天文臺(tái)的兩大優(yōu)勢(shì)：其一，徹底擺脫閃爍不定的大氣影響，充分利用望遠(yuǎn)鏡的理論分辨率;其二，太空中的望遠(yuǎn)鏡可自由觀測(cè)大氣窗口之外的電磁信息，比如紫外線、遠(yuǎn)紅外線等。此后，斯皮策一直致力空間望遠(yuǎn)鏡事業(yè)的推進(jìn)。無奈，當(dāng)時(shí)的人類尚不具備將人造物體送上

近地軌道的能力，因此空間望遠(yuǎn)鏡只能停留于理論階段。直到1957年10月4日，蘇聯(lián)將第一顆人造衛(wèi)星送入太空以后，空間望遠(yuǎn)鏡的建造計(jì)劃才被正式列入日程。從20世紀(jì)60年代起，NASA陸續(xù)試水了兩組軌道天文臺(tái)，第一組因電池失效而失敗，第二組獲得了成功，這極大地激發(fā)了公眾對(duì)大型空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的支持。因此，NASA于1968年確定了一項(xiàng)在太空中建造口徑3米的反射鏡的計(jì)劃，當(dāng)時(shí)的名稱是大型空間望遠(yuǎn)鏡。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行于近地軌道，需有人維護(hù)。而同步發(fā)展的可重復(fù)航天飛機(jī)項(xiàng)目使得該設(shè)想成為可能。20世紀(jì)70年代，由于政府開支緊縮，大型空間望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃面臨流產(chǎn)。天文學(xué)家為此多方奔走，才終于保住了原有預(yù)算的一半。如此一來，鏡片的口徑就由3米縮減為后來的2.4米。新的空間望遠(yuǎn)鏡被正式命名為“哈勃”，以紀(jì)念20世紀(jì)初那位偉大的天文學(xué)家。從1979年開始，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的主鏡片正式進(jìn)入打磨拋光工序，可是由于種種原因，發(fā)射日期被一再推遲。1990年4月24日，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡終于搭乘“發(fā)現(xiàn)”號(hào)航天飛機(jī)升空，進(jìn)入離地面540千米的近地軌道。“哈勃”從此開始向世人展現(xiàn)出它無與倫比的科研價(jià)值。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡升空后最早做出的一項(xiàng)成果便是精確測(cè)定哈勃常數(shù)的大小。在標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型中，這是一個(gè)與宇宙年齡有關(guān)的重要常數(shù)。在“哈勃”升空以前，天文學(xué)家通過地面觀測(cè)取得的哈勃常數(shù)的誤差多徘徊在50%。這意味著當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家只能將宇宙年齡確定在100億年至200億年之間。而哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)將上述誤差一下子縮小到了10%以內(nèi)，這與后來通過其他技術(shù)手段獲得的137億年的數(shù)值相符。時(shí)至今日，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡已在軌運(yùn)行了26年，遠(yuǎn)超當(dāng)初15年的設(shè)計(jì)壽命。其間，“哈勃”平均每月向地面?zhèn)鬏?29GB的數(shù)據(jù)，累計(jì)已超過100TB。直接或間接通過哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的成果而發(fā)表的論文數(shù)目超過了13000篇，包括幾項(xiàng)問鼎諾貝爾獎(jiǎng)的成果。

如今，“哈勃”已垂垂老矣。但幸運(yùn)的是，2016年11月2日，NASA的現(xiàn)任局長(zhǎng)查爾斯·博爾登宣布：經(jīng)過20多年的不懈努力，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的接班人——詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡——終于建造完成，將進(jìn)入測(cè)試和轉(zhuǎn)運(yùn)階段，并計(jì)劃于2018年10月在法屬圭亞那，通過歐空局的“阿里安5”號(hào)大型運(yùn)載火箭發(fā)射升空。

韋伯空間望遠(yuǎn)鏡雖被冠以“哈勃繼任者”的稱號(hào)，但那不過是NASA為尋求公眾的財(cái)政支持而拉的一個(gè)幌子罷了。事實(shí)上，除了它們都叫空間望遠(yuǎn)鏡之外，二者的相似點(diǎn)很少。首先，韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的工作波段為0.6微米至28.5微米，這主要是近紅外和中紅外波段，勉強(qiáng)包括了紅到紅橙部分的可見光。相較之下，“哈勃”的工作波段為近紅外到紫外部分，將全部的可見光囊括在內(nèi)?！绊f伯”的主鏡之所以被鍍成了顯眼的金色，是因?yàn)榻鹪貙?duì)紅外光的反射率比“哈勃”的銀色鋁膜高。其次，韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的軌道高度比“哈勃”高得多。這仍是考慮到韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的工作波段需要避開地球與太陽(yáng)這兩個(gè)強(qiáng)大的干擾源，其自身散發(fā)的紅外干擾也需要減弱。為此，NASA不得不將韋伯空間望遠(yuǎn)鏡放置在日地系統(tǒng)的第二拉格朗日點(diǎn)附近。這個(gè)地點(diǎn)處在日地連線的延長(zhǎng)線上，距離地球150萬千米，這相當(dāng)于月球到地球距離的4倍。根據(jù)開普勒第三定律，離太陽(yáng)越遠(yuǎn)的天體繞日周期也越長(zhǎng)。另一方面，若增加來自太陽(yáng)方向的引力，天體的繞日周期又會(huì)

縮短。這使得第二拉格朗日點(diǎn)附近的力學(xué)情況達(dá)到了某種平衡。在這里，地球與太陽(yáng)引力疊加導(dǎo)致的周期縮短效應(yīng)，恰好彌補(bǔ)了其遠(yuǎn)離太陽(yáng)而導(dǎo)致的周期延長(zhǎng)效應(yīng)，因此附近天體的繞日周期也是一年，從地球上看去，它好像是一個(gè)固定不動(dòng)的點(diǎn)。在那里，碩大的地影常年遮蔽約83%的太陽(yáng)表面，只留下一輪日環(huán)，就好像地球上看到的日環(huán)食那樣。如此天然的冷卻優(yōu)勢(shì)，再配合主鏡背后那五層碩大的遮陽(yáng)板，就可以將韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的“體溫”降至50K以下，使之成為一臺(tái)高度靈敏的紅外線接收裝置。

不過，韋伯空間望遠(yuǎn)鏡并不會(huì)被嚴(yán)格放置于日地系統(tǒng)的第二拉格朗日點(diǎn)上，而是運(yùn)行在一個(gè)環(huán)繞第二拉格朗日點(diǎn)的圓形軌道上，軌道半徑約80萬千米，軌道平面同黃道面斜交一個(gè)角度，環(huán)繞周期為半年。這個(gè)奇特的軌道設(shè)計(jì)被稱為暈軌道，最早由天才的NASA軌道設(shè)計(jì)專家羅伯特·法庫(kù)爾提出。這樣做有兩個(gè)好處，一是克服了韋伯空間望遠(yuǎn)鏡面向地球發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的日凌難題;二是大大擴(kuò)展了適合韋伯空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的天區(qū)范圍。不過，這樣的軌道設(shè)計(jì)也意味著韋伯空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目必須一次成功，不能出現(xiàn)像哈勃空間望遠(yuǎn)鏡那樣的意外情況，因?yàn)橛詈絾T絕不可能前往那么遙遠(yuǎn)而寒冷的地方對(duì)其進(jìn)行維護(hù)與修復(fù)。

受到遮陽(yáng)板和太陽(yáng)方向的雙重影響，適合韋伯空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的天區(qū)和目標(biāo)也是隨時(shí)變化的。粗略地講，靠近黃道的目標(biāo)適宜觀測(cè)的時(shí)間最短，每年只有兩段窗口期，每段窗口期有53天。黃緯越高的天體每年適宜觀測(cè)的時(shí)間也越長(zhǎng)，黃緯45°的天體每年只有一段窗口期，190天。黃緯85°以上的天體，全年均可觀測(cè)。

為了將重達(dá)6.5噸的韋伯空間望遠(yuǎn)鏡送到那樣一個(gè)遙遠(yuǎn)而寒冷的地方，NASA甚至動(dòng)用了“阿里安5”號(hào)這樣的大型運(yùn)載火箭。韋伯空間望遠(yuǎn)鏡從地球升空以后，需要?dú)v經(jīng)29天的漫長(zhǎng)飛行才能抵達(dá)第二拉格朗日點(diǎn)。在此期間，韋伯空間望遠(yuǎn)鏡有充足的時(shí)間做入軌準(zhǔn)備，其中包括太陽(yáng)能帆板展開、主鏡展開、遮陽(yáng)板展開等。NASA在官網(wǎng)上掛出了一段5分鐘的動(dòng)畫視頻，詳細(xì)演示了韋伯空間望遠(yuǎn)鏡在飛往目的地的途中需要完成的一系列展開動(dòng)作，堪稱精妙。

在本文的最后，我們簡(jiǎn)略地談一談“十三五”期間中國(guó)關(guān)于空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展規(guī)劃。一直以來，中國(guó)的空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目都是依托空間站的建造計(jì)劃而開展的。按照現(xiàn)有思路，未來中國(guó)將在自己的空間站旁邊發(fā)射一個(gè)獨(dú)立的光學(xué)艙，與前者保持共軌飛行。當(dāng)需要補(bǔ)加推進(jìn)劑或升級(jí)部件時(shí)，光學(xué)艙與空間站交會(huì)對(duì)接，由航天員來操作，維護(hù)成本較低。該光學(xué)艙的設(shè)計(jì)壽命為10年，功能上類似于哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，但視場(chǎng)更寬廣。利用它，天文學(xué)家有望在宇宙的起源、發(fā)展和演化等前沿領(lǐng)域取得突破。