不久前，美國(guó)宇航局正式發(fā)布了韋伯太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的第一批照片，其中一張是包含數(shù)千個(gè)星系的星系團(tuán)SMACS0723，拍攝到了比哈勃太空望遠(yuǎn)鏡極深場(chǎng)照片中更微弱的星系，是人類迄今為止拍攝的最遙遠(yuǎn)、最清晰的宇宙深空?qǐng)D像。那么，太空望遠(yuǎn)鏡是如何拍下這些遙遠(yuǎn)的星系照片？它和我們常見的照相機(jī)拍照又有什么不同？

韋伯望遠(yuǎn)鏡示意圖

地面拍攝受大氣干擾嚴(yán)重

德國(guó)哲學(xué)家康德曾表示：“有兩種東西，我對(duì)它們的思考越是深沉和持久，它們?cè)谖倚撵`中喚起的驚奇和敬畏就會(huì)日新月異并不斷增長(zhǎng)，這就是我頭上的星空和心中的道德律”。

人類天性就對(duì)星空充滿好奇和向往，渴望了解更多的奧秘和知識(shí)，但肉眼的觀測(cè)能力太弱，從伽利略時(shí)代簡(jiǎn)陋的望遠(yuǎn)鏡開始，人類已經(jīng)建立了不計(jì)其數(shù)的地基望遠(yuǎn)鏡。目前，歐美國(guó)家正在建造30米和40米級(jí)的超大口徑地基望遠(yuǎn)鏡，它們將極大地?cái)U(kuò)展人類看宇宙的視野。

然而，復(fù)雜多變的大氣層是地基望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的攔路虎，即使我們手拿雙筒望遠(yuǎn)鏡或廉價(jià)的初級(jí)天文望遠(yuǎn)鏡，也時(shí)常會(huì)遇到云雨霧風(fēng)等氣象的干擾，而大氣湍流活動(dòng)帶來(lái)的擾動(dòng)，不僅讓肉眼看到的星星不斷閃爍，且在望遠(yuǎn)鏡中閃爍跳動(dòng)的更為厲害。

視寧度是指望遠(yuǎn)鏡中影像的清晰度，用于衡量大氣湍流的擾動(dòng)程度，受到視寧度影響，地面望遠(yuǎn)鏡的分辨率極限在1角秒左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于望遠(yuǎn)鏡的衍射極限。

隨著自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)，視寧度不再是無(wú)法逾越的攔路虎，但大氣層對(duì)很多波段光波的吸收，卻讓地面望遠(yuǎn)鏡束手無(wú)策，厚厚的大氣層已經(jīng)吸收了紅外等波段的光波，而宇宙大爆炸后的快速膨脹，導(dǎo)致宇宙早期的星光嚴(yán)重紅移到紅外波段，地面望遠(yuǎn)鏡造得再大也是巧婦難為無(wú)米之炊。

韋伯望遠(yuǎn)鏡示意圖

為看得更清晰、更深遠(yuǎn)，了解更多星空和宇宙的奧秘，科學(xué)家提出了發(fā)射太空望遠(yuǎn)鏡的想法，這樣就不再受到大氣困擾，可以把大型望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)能力發(fā)揮到極限。

人們?cè)诘孛媸褂孟鄼C(jī)拍攝星空，無(wú)論是手機(jī)、單反和望遠(yuǎn)鏡的攝像頭，還是科學(xué)家使用的超級(jí)望遠(yuǎn)鏡和高性能CCD傳感器，都看不到被大氣層吸收的紅外光，無(wú)法像哈勃太空望遠(yuǎn)鏡那樣看到來(lái)自宇宙大爆炸早期遙遠(yuǎn)而微弱的星光。

不同材質(zhì)成像有差別

光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可分為折射和反射兩大類，以及混合的折反射系統(tǒng)。我們最常見和常用的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是使用折射原理成像的手機(jī)攝像頭和單反相機(jī)鏡頭。雖然折射光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，但也有無(wú)法避免的問(wèn)題：色差和重量。

折射光學(xué)系統(tǒng)中，光線穿過(guò)凸透鏡本體，對(duì)鏡片透光能力要求高，而透光材料對(duì)不同波段的光折射能力不一樣，很容易出現(xiàn)色差。

望遠(yuǎn)鏡制造者很早就發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，因此使用不同材料鏡片，研制了折射望遠(yuǎn)鏡，基本解決了色差問(wèn)題。然而，為獲得更好的聚光能力，以觀測(cè)更微弱的星辰，望遠(yuǎn)鏡口徑越造越大，折射鏡的鏡片也越來(lái)越重。同時(shí)，折射鏡巨大的透鏡磨制很困難且極易變形，讓它們基本退出了天文觀測(cè)領(lǐng)域。

太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)體積和重量要求極高，它們清一色的使用反射式光學(xué)系統(tǒng)，和手機(jī)、相機(jī)鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)大相徑庭。

反射式望遠(yuǎn)鏡成像時(shí)，光線不需要透過(guò)主鏡，而是通過(guò)反射聚焦成像，擺脫了色差困擾。反射式望遠(yuǎn)鏡的鏡片只需要加工一個(gè)反射面，加工制造簡(jiǎn)單且鏡片重量輕，更容易造出更大口徑的望遠(yuǎn)鏡。

反射望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)勢(shì)讓它快速成為了天文望遠(yuǎn)鏡的主流。為獲得更好的成像質(zhì)量，美國(guó)的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和韋伯太空望遠(yuǎn)鏡選擇了里奇-克萊琴式雙曲面反射鏡設(shè)計(jì)，而我國(guó)正在研制的巡天望遠(yuǎn)鏡使用了無(wú)遮擋的離軸三反射設(shè)計(jì)，具有更好的成像質(zhì)量。這些高性能的反射成像系統(tǒng)，在普通相機(jī)甚至業(yè)余望遠(yuǎn)鏡上都是極為罕見的。

對(duì)太空望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，其鏡片還需要考慮太空極大的溫差環(huán)境，因此會(huì)選擇熱膨脹系數(shù)極低的鏡片材料，也要考慮運(yùn)載火箭發(fā)射時(shí)的加速度和振動(dòng)，所以材料還要有一定彈性。

哈勃望遠(yuǎn)鏡使用了超低膨脹系數(shù)的石英玻璃,而韋伯望遠(yuǎn)鏡選擇金屬鈹做鏡片材料，歐洲和我國(guó)的太空望遠(yuǎn)鏡更偏愛膨脹系數(shù)和密度都低的碳化硅材料。

韋伯望遠(yuǎn)鏡等紅外望遠(yuǎn)鏡還要減弱本身發(fā)出的紅外線，它的中紅外相機(jī)要主動(dòng)制冷降低到6k的超低溫下，這和地面普通相機(jī)有著天壤之別。

新概念望遠(yuǎn)鏡成像更獨(dú)特

哈勃望遠(yuǎn)鏡開創(chuàng)了空間天文學(xué)的新時(shí)代，而韋伯望遠(yuǎn)鏡又向人們展示了宇宙大爆炸初期遙遠(yuǎn)而暗淡的星系。如今，科學(xué)家為探測(cè)更多宇宙奧秘，很多新概念望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)或即將成為現(xiàn)實(shí)，它們使用了奇異的成像方式，將為人類帶來(lái)更多科學(xué)探測(cè)驚喜。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡

在韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)布首張照片的記者會(huì)上，美國(guó)宇航局局長(zhǎng)比爾·納爾遜做了一個(gè)形象比喻：“韋伯拍攝的這張照片覆蓋的星空范圍，相當(dāng)于你在一臂之遙的距離上看到指尖上的一粒沙子?！?/p>

哈勃望遠(yuǎn)鏡極深場(chǎng)和韋伯望遠(yuǎn)鏡的深場(chǎng)照片，都是在極小的范圍內(nèi)窺探遙遠(yuǎn)和暗淡的天體，通俗地說(shuō)就是詳查，但天文學(xué)不僅關(guān)注星空的某一粒“沙子”，也關(guān)心宇宙大范圍的詳情，這就需要有負(fù)責(zé)普查的巡天望遠(yuǎn)鏡。

歐空局負(fù)責(zé)巡天任務(wù)的歐幾里德望遠(yuǎn)鏡即將發(fā)射升空，我國(guó)的巡天光學(xué)望遠(yuǎn)鏡也將在2023年發(fā)射，美國(guó)的羅曼望遠(yuǎn)鏡也用于巡天觀測(cè)，它們的特點(diǎn)都是視場(chǎng)寬廣。

太空望遠(yuǎn)鏡最激進(jìn)的設(shè)想，當(dāng)屬美國(guó)的類地行星發(fā)現(xiàn)者（TPF）望遠(yuǎn)鏡概念。目前，中國(guó)投資參與了平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA），它是由3000多個(gè)15米直徑天線組成的天線陣列，通過(guò)甚長(zhǎng)基線干涉技術(shù)獲得高分辨率的射電圖像。

SKA工作的波段很長(zhǎng)，而可見光甚至紅外線的波長(zhǎng)很短，進(jìn)行干涉成像的難度極高，TPF就是一個(gè)可見光干涉陣列的太空望遠(yuǎn)鏡概念。它通過(guò)革命性的成像技術(shù)，能夠直接拍攝遙遠(yuǎn)的系外行星，測(cè)量系外行星的大小、溫度等信息，為人類解答是否存在系外生命的問(wèn)題。