文 / 葉楠

光學空間望遠鏡

光學望遠鏡

光學波段是指波長約在400～700納米之間的電磁波，這也是我們眼睛能夠看到的波段。人類最早用“光”這個字指代的也是這個波段，故被稱為光學波段，或可見光波段。地球的大氣層對光學波段基本上是透明的，地基天文臺也可以觀測到這個波段的天文現(xiàn)象。所以相比其他波段，對光學空間望遠鏡的需求顯得沒有那么迫切。但是地基天文臺還是會受到完全無法避免的兩大限制：一個是大氣視寧度的影響，會嚴重降低分辨率（圖為同一架望遠鏡在不同視寧度下觀測木星的對比照片）；另一個是地球自轉的影響，無法進行連續(xù)數(shù)天甚至數(shù)月的觀測。隨著對觀測精度要求越來越高，觀測目標越來越暗弱，空間光學望遠鏡在20世紀末期迎來了屬于它的時代。

依巴谷天文衛(wèi)星

依巴谷天文衛(wèi)星的全稱是高精度視差收集衛(wèi)星，是歷史上首顆以精確測量天體亮度、位置、自行等信息為主要任務的空間望遠鏡，隸屬于歐空局。它的英文首字母簡稱與古希臘天文學家依巴谷一致，故得名?！耙腊凸取辈⒉皇且粋€很大的望遠鏡，口徑只有29厘米、焦距1.4米、重210千克，1989年8月8日，搭乘阿里安4型火箭從法屬圭亞那發(fā)射升空，軌道500公里×35800公里、傾角6.8度、周期10.6小時。“依巴谷”運行了4年，其觀測數(shù)據(jù)在之后幾年被編制成依巴谷星表和第谷星表。依巴谷星表包含11.8萬個觀測目標數(shù)據(jù)，精度高達1毫角秒，與之前的數(shù)據(jù)相比提高了兩個數(shù)量級；第谷星表精度稍低，但卻囊括了全天最亮的250多萬顆恒星。這兩個星表在現(xiàn)代天文學研究中有著廣泛的應用。

哈勃空間望遠鏡

哈勃空間望遠鏡（HST）隸屬于美國宇航局大型軌道天文臺計劃中四大空間望遠鏡之一，是公眾最為熟悉的一臺空間望遠鏡。HST的口徑2.4米、焦距57.6米、RC式光路結構，望遠鏡長13.2米、寬4.2米，發(fā)射質量1.1噸。1990年4月24日，發(fā)現(xiàn)號航天飛機攜帶HST升空，并將其放置于高度540公里的軌道上（左圖）。但HST升空后不久就發(fā)現(xiàn)成像無法精確對焦，1993年底的第一次航天飛機維護任務為HST加裝了校正光學系統(tǒng)，問題才得以解決。直到2009年航天飛機時代謝幕，HST一共接受了5次在軌維護，此時HST的所有終端設備都已進行了改進。時至今日，HST已經運行了30年，科學成果無數(shù)，至于何時會退役，可能要依賴于詹姆斯·韋伯空間望遠鏡何時升空。

HST是一臺以光學波段為主的空間望遠鏡，也就是說它拍攝的星空理論上我們的眼睛也是有可能看到的（實際并不能），這也許是人們對HST更為親近的原因之一。右圖是HST于1995年4月1日拍攝的名為“創(chuàng)生之柱”的照片，照片主體是位于鷹狀星云核心區(qū)的新恒星誕生區(qū)。這張照片當時在社會公眾間廣泛傳播，激發(fā)起人們對地球以外世界的關注，也拉進了科學與公眾的距離。1998年起，正式開啟“哈勃傳承計劃”，首次將拍攝天文科普照片納入HST的工作計劃之中。

恒星微變和振蕩望遠鏡

恒星微變和振蕩望遠鏡（MOST）是加拿大的第一臺空間望遠鏡。它是一臺很小的望遠鏡，口徑只有15厘米、焦距88厘米、重60千克，因此它還有另外一個昵稱叫“不起眼的空間望遠鏡”（Humble），與當時最大的空間望遠鏡“哈勃”（Hubble）相對應。MOST發(fā)射于2003年6月30日，軌道高度830公里。MOST的主要工作是做那些大望遠鏡不可能花時間去做的事情——對同一目標進行長時間的監(jiān)測，研究其亮度變化及星震學特征。MOST正常運行至2019年3月，由于供電系統(tǒng)故障而退役。16年間，MOST獲取了南河三、右攝提一、天倉五等數(shù)十顆恒星的長期觀測數(shù)據(jù)。

科羅系外行星探測器

科羅系外行星探測器（CoRoT）（左圖）是法國航天局與歐空局主導的以系外行星搜尋和星震學探測為主要任務的空間望遠鏡，于2006年12月27日發(fā)射升空，軌道高度608公里×898公里、傾角90度、周期99.7分鐘。望遠鏡口徑27厘米、焦距1.1米，終端由4臺CCD組成的陣列可以提供2.7°×3.05°的視場。CoRoT總是背對太陽方向進行觀測，在北半球夏季時主要目標為巨蛇座尾部附近天區(qū)，北半球冬季時朝向麒麟座天區(qū)。2009年，CoRoT-7b的發(fā)現(xiàn)引起人們極大的關注，這是歷史上第一顆被證實由巖石構成的行星，也是當時已發(fā)現(xiàn)系外行星中體積最小的，右圖是其與地球和海王星的大小對比。CoRoT正常運行至2013年，共發(fā)現(xiàn)30余顆系外行星。

開普勒空間望遠鏡

開普勒空間望遠鏡（左圖）是美國宇航局的一臺主要以凌星法發(fā)現(xiàn)系外行星的空間望遠鏡，以行星運動三定律聞名于世的天文學家約翰尼斯·開普勒的名字命名。凌星法是指如果有行星在恒星面前經過會遮擋部分恒星的光芒，使其亮度下降，通過觀測恒星的光變曲線特征可以確定系外行星的存在。開普勒空間望遠鏡發(fā)射于2009年3月7日，采用的是尾隨地球的日心軌道，周期為372.57天。望遠鏡采用施密特式光路結構，口徑0.95米，觀測波長430～890納米。天文學家期望“開普勒”能夠發(fā)現(xiàn)類似地球大小的系外行星。“開普勒”也確實爭氣，計劃服役3.5年，實際運行至2018年。

迄今為止，人類共發(fā)現(xiàn)了4000多顆系外行星，其中2600多顆來自于“開普勒”，是所有望遠鏡里發(fā)現(xiàn)系外行星數(shù)量最多的。開普勒-452b也被昵稱為地球2.0，2015年7月美國宇航局公布了“開普勒”的這一發(fā)現(xiàn)，它的質量是地球的5倍，表面重力是地球的2倍，半徑是地球的1.5倍，圍繞一顆與太陽相似的G型恒星公轉，軌道半徑為1.04個天文單位，周期385天。這些與地球頗多相似的數(shù)據(jù)引起人們諸多遐想。開普勒-186f是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆位于宜居帶內的與地球大小相仿的行星，其半徑約是地球的1.1倍，但它圍繞公轉的恒星是一顆M型紅色恒星，表面溫度較低。右圖是開普勒-452b與開普勒-186f所在行星系統(tǒng)與太陽系之比較，可見開普勒-186f 大小與地球相近。

亮目標探測器衛(wèi)星網

MOST的成功使加拿大對小型天文衛(wèi)星情有獨鐘，亮目標探測器衛(wèi)星網（BRITE）（左圖）比MOST還要小巧，它是邊長只有20厘米的方盒子形狀，重6.5千克。不過這次是加拿大與奧地利和波蘭等國家合作，從2013年2月25日至2014年8月19日間一共發(fā)射了6顆這樣的小衛(wèi)星，所以被稱為衛(wèi)星網，隨著最后一顆衛(wèi)星從中國的太原衛(wèi)星發(fā)射中心由長征四號乙火箭送入太空，衛(wèi)星網終于成型。BRITE的主要工作是利用光度學和星震學來探測天空中最亮的那類OB型藍巨星，每顆衛(wèi)星視場達到24度×19度，聯(lián)合觀測幾乎可以覆蓋太陽背面絕大部分天區(qū)。通過對目標天體的長達6個月的連續(xù)高精度光度測量，為研究這類大質量恒星的內部結構和演化提供觀測證據(jù)。右圖是藝術家描繪下的藍巨星船尾座ζ，通過BRITE數(shù)據(jù)分析，天文學家發(fā)現(xiàn)了它表面亮斑變化及恒星風之間的確定關系。

近地天體監(jiān)測衛(wèi)星

近地天體監(jiān)測衛(wèi)星（NEOSSat）是加拿大航天局的又一顆小衛(wèi)星，外形與MOST非常相似，長137厘米、寬78厘米、高38厘米、重74千克，攜帶了一架口徑15厘米、焦比f/5.88、視場0.86度的馬卡式望遠鏡。NEOSSat于2013年2月25日從印度薩迪什·達萬航天中心搭乘PSLV-C20火箭發(fā)射升空?？柤永锎髮W領導的近地空間監(jiān)測利用NEOSSat搜尋那些地球軌道附近的近地小行星，希望能夠探測到其中暗至19等的小行星。

系外行星凌星巡天衛(wèi)星

系外行星凌星巡天衛(wèi)星（TESS）是美國宇航局的一臺接替開普勒任務的空間望遠鏡，于2018年4月18日由獵鷹9火箭發(fā)射升空，被送至一個高度108000公里×375000公里、傾角37度、周期13.7天的軌道，正好是月球公轉周期的一半。“開普勒”在系外行星搜尋領域做出了極大地貢獻，但是它的觀測天區(qū)只是天鵝座的一小片天區(qū)，而TESS的主要設備是4臺寬視場相機，每臺相機鏡頭口徑為100毫米、焦比為f/1.4，每臺相機配備由4個CCD組成的陣列，總像素為1600萬，視場為24度×24度，4臺相機同時工作可以覆蓋24度×96度的視場。依靠這套快速高效的探測設備，TESS可在兩年左右時間內完成對全天區(qū)的系外行星搜尋工作。截至2020年 3月，TESS已經發(fā)現(xiàn)了1700多顆系外行星侯選體，其中41顆已經得到確認。

全天天體測量干涉儀

全天天體測量干涉儀（Gaia）（左圖）是歐空局的一臺空間望遠鏡，也是依巴谷天文衛(wèi)星的后續(xù)任務。Gaia于2013年12月19日升空，進入位于地球背面的拉格朗日L2點利薩茹軌道，周期180天。Gaia的發(fā)射質量達到2噸，攜帶的望遠鏡主鏡并不是通常的圓形，而是有弧度的長方形，大小為1.45米×0.5米，在1米×0.5米的焦平面上有106個CCD組成的高達9.378億像素的成像陣列。Gaia的觀測精度比“依巴谷”高100倍，它的主要任務是測量銀河系內1/100，也就是大約10億顆恒星的位置、距離和自行，構建高精度的銀河系天體三維圖像。迄今為止，Gaia依然在軌工作，還有許多意料之外的新發(fā)現(xiàn)。右圖是Gaia于2015年發(fā)現(xiàn)的矮星系Ant 2與大麥哲倫星系及銀河系的對比，它的大小與大麥哲倫星系相仿，但亮度卻要暗弱1萬倍。