航天之父康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基说过：“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。”


人类在地球上已经生活了600万年，我们的摇篮也一点点扩大，从一个聚落、一片大陆到整个星球。但和浩瀚的星辰大海相比，又如此的渺小。


从远在拉格朗日点的詹姆斯·韦伯望远镜，到藏在贵州深山里的中国天眼。为了准确、全面地观测宇宙，人类一直在不断改进望远镜。


本文将简要盘点一下目前仍在运行的宇宙观测神器。



哈勃天文望远镜


哈勃天文望远镜（Hubble Space Telescope，HST）于1990年4月24日发射升空，并运行至今。其轨道位置为低地球轨道，目前位于地表上方535公里处。


哈勃锁定目标非常准，相当于能把激光准确照射在320公里外的硬币上。哈勃可全天区范围观测，可观测波段为可见光波段和紫外波段。


以“星系天文学之父”埃德温·哈勃为名

（图：wikipedia）▼


哈勃主要的科学发现和科研产出有：


1. 测量了宇宙中不同天体的距离，对于建立宇宙距离尺度非常重要；


2. 观测到了宇宙的膨胀速度正在加速，为研究暗能量的存在和性质提供了证据；


3. 观测到了远古星系的形成和演化过程，为研究宇宙早期提供了宝贵数据；


4. 通过观测星系和星团的引力透镜效应，发现了暗物质的存在；


5. 观测到许多星系中心存在超大质量黑洞；


6. 观测了宇宙背景辐射；


7. 发现了柯伊伯带中的天体和观测了外太阳系行星和其卫星；


8. 观测到许多系外行星，发现了一些类地行星。


9. 通过观测星云和年轻恒星，深入了解了恒星的形成过程。


迄今为止，哈勃望远镜已经进行了超过150万次观测，总存档数据超过340TB，天文学家使用哈勃数据发表了19000多篇科学论文。


多年来，哈勃望远镜拍摄的佳作不少

比如，这张2014年版“创生之柱”▼


再比如，Westerlund 2，绚烂如烟火▼


詹姆斯·韦伯空间望远镜


韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope， JWST）原计划于2007年发射，但一直推迟到2021年12月25日。它是NASA、欧洲太空总署（ESA）和加拿大航天局（CSA）的合作项目。


韦伯空间望远镜，长这样▼


其轨道位置为日地系统的拉格朗日L2点，距离地球至少150万公里，L2点可以保持背向太阳和地球的方位，易于校准和保护，而且在远离太阳的一侧，所以有利于红外观测。


韦伯的特长在红外观测，它能够看到更多，更老的恒星和星系。但L2轨道是不稳定的，需要动力维持望远镜姿态和位置，目前韦伯携带的推进剂足够使用10年，所以它的任务目标时间就是10年。


韦伯的主要科学目标是：


1. 主要的任务是调查宇宙微波背景辐射，即观测今天可见与宇宙的初期状态；


2. 寻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，行星系统的演化过程和生命的起源。


韦伯空间望远镜的发现包括但不限于首次直接拍摄系外行星、发现有史以来最遥远的星系、详细观测了系外行星的大气层和星系碰撞时的恒星形成等，其中还包括前不久拍摄到的一个问号形物体，引起了人们的极大关注。


韦伯望远镜拍摄的船底座星云部分图像

（横屏，图：NASA's JWST）▼


韦伯望远镜2022年拍摄的南环星云

犹如一块嵌在黑色丝绒上的蓝宝石

（图：NASA's JWST）▼


盖亚任务


盖亚任务（Gaia）是欧洲太空总署的太空望远镜，致力于绘制一张精确的银河系三维星图。该任务于2013年12月19日发射升空，运行至今，正在观测银河系内外近20亿个星体。其轨道位于日地系统的拉格朗日L2点。


Gaia任务包含两个望远镜，它们以固定的广角进行观测，对观测范围内的每个天体平均观测70次，时长持续5年。观测波段为可见光。


Gaia的主要科学产出有：


1. 测量我们太阳系的加速度；


2. 改进近地小行星的轨道；


3. 改进恒星掩星阴影轨道预测；


4. 发现了更多的稀有恒星、超高速恒星、新小行星和系外行星，揭示了太空中的气态结构；


5. 揭示银河系在早期（大约在100亿年前）可能与另一个大星系并合后形成；


6. 推测银河系“厚盘”部分在130亿年前开始形成，距离大爆炸仅8亿年；


7. 白矮星随着内部的冷却，会变成固体球体。


在Gaia观测到的天体中，超过99.9%的天体从未被精确测量过距离。预计盖亚任务结束时，存档数据将超过1PB。


使用盖亚第三阶段资料绘制的四张图

（图：ESA / Gaia / DPAC）▼


“悟空”暗物质粒子探测卫星


暗物质粒子探测卫星（Dark Matter Particle Explorer，DAMPE）是我国第一个空间天文探测器，命名为“悟空”。由中科院紫金山天文台主导，于2015年12月17日发射。


悟空号的轨道类型为太阳同步轨道，轨道高度约为500公里。原计划运行寿命为3年，但自从2015年发射后，至今仍在服役，而且工作状态良好。悟空号共计搭载了四种不同的有效载荷，结构如下图。


悟空号卫星的科学载荷结构示意图

（底图：紫金山天文台）▼


其主要科学目标是暗物质间接探测，次要目标是寻找宇宙射线的起源和伽马射线天体物理研究，主要科学产出有：


1. 2017年，首次在1.5TeV处观测到了明显超出的峰值；


2. 给出了从40 GeV到100 GeV能段的宇宙线质子精确能谱测量结果，发布了25 GeV和4.6 TeV之间正电子光谱的精确测量结果；


3. “悟空”号卫星530天的运行共计记录到28亿个宇宙线粒子， 科学家从中筛选出了约150万个高能量的电子， 测量出了这些电子的能谱分布。揭示出电子能谱存在的一处拐折和一处可能的尖峰结构；


4. 记录到明显增强的伽马射线爆发现象，这一爆发在12月16日达到了峰值；


5. 测量得到的两个最亮脉冲星的伽马周期在1GeV-100GeV的能量范围；


6. 揭示了电子和正电子的通量出人意料的形状。


悟空号在暗物质间接探测方面，具有较强的国际竞争力。


宽视场红外巡天探测卫星


宽视场红外巡天探测卫星（Wide-field Infrared Survey Explorer， WISE）是NASA在2009年发射的空间红外望远镜，运行期间共对约158000颗小行星进行了观测，其中包括约34000颗新发现的小行星。


该望远镜的四个工作波长分别为3.4，4.6，12和22微米，分别记为W1，W2，W3和W4。到2011年2月，固态氢全部耗尽，望远镜进入休眠状态。


2010年，WISE拍摄的C/2007 Q3


WISE拍摄的图像（图：NASA）▼


2013年8月，WISE被唤醒，继续使用W1和W2波段进行巡天观测，并更名为NEOWISE，用于探测近地小天体。


截至2022年4月，NEOWISE共对40700个太阳系天体进行了超过120万次红外测量，包括1380个近地小行星和246颗彗星，其中发现了347颗潜在危险小行星和34颗彗星。


NEOWISE位于太阳同步轨道，距离地表525公里，主要任务包括：


1. 搜索近地小行星，为地球撞击威胁评估提供数据；


2. 观测彗星；


3. 研究小行星族群；


4. 测量小行星的大小分布和反照率。


凌日系外行星巡天卫星


系外行星凌星巡天卫星（Transiting Exoplanet Survey Satellite， TESS）是一颗由NASA开发，专门用于探测系外行星的望远镜，又被称为“苔丝”。


TESS的轨道位于高地球轨道，为高椭圆轨道，其偏心率为0.55，近地点和远地点的距离分别约为10.8 万公里和37.3万公里。该轨道可以获得天空南北半球的无遮图像。


TESS于2018年4月18日发射升空，预设的主要任务为2年，至今仍在运行。截至2023年8月，TESS发现了373颗已确认的系外行星。


中国巡天空间望远镜


中国巡天空间望远镜（China Space Station Telescope， CSST）是中国第一个光学空间巡天望远镜，它于2013年11月立项，预计在2024年发射，将在400公里高的轨道上运行。这意味着CSST具备在轨维护升级的能力。


CSST兼具大视场和高像质的优异性能，是哈勃视场的300倍。CSST的计划运行期为10年，将对17500平方度的天区进行多波段成像和无缝光谱观测，并对遴选的天体或天区开展精细观测研究，以获取数十亿恒星与星系的测光数据和数亿条光谱，并通过直接成像搜寻和研究太阳系外行星。


CSST的主要科学目标有：


1. 对宇宙加速膨胀、暗能量、暗物质、星系成团性和宇宙大尺度结构的研究；


2. 星系和活动星系核，包括高红移星系和超大质量黑洞；


3. 恒星活动、形成和演化；


4. 系外行星、原行星盘和太阳系天体观测研究；


5. 暂现源/变源和重要天文事件响应，例如引力波搜寻、高红移伽马射线暴和快速射电暴等。


“中国天眼”500米口径球面射电望远镜


“中国天眼”（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST）是目前世界上第一大的球面射电望远镜。项目早在1994年就被提出并开始进行预研工作。到2020年1月11日通过验收，正式开始运行。


因为天体目标在运动，所以中国天眼在跟踪观测时，抛物面要一直不停地跟踪变化。于是，反射面不断变形，悬挂在钢索上馈源也要进行相应的运动。


为了支持这一功能，中国科学家将4450块三角形主动反射面安装在球形的大网兜内表层，大网兜的2225个节点形成了4450个三角形区域，每个节点上有斜拉的钢索，连接到地面，钢索下面有液压促动器往下拽钢索，每一个节点都可以双向运动。通过联合控制，精确调节每个节点的运动距离，就可以使得球面变形成抛物面，实现变形。


其科学目标有：


1. 大规模中性氢的巡天调查，绘制宇宙早期图像；


2. 建立脉冲星计时阵，参与未来脉冲星自主导航和引力波探测；


3. 主导国际甚长基线干涉测量网，探测天体的超精细结构；


4. 检测星际通信讯号，参与地外文明搜索。


上述神器是当前最为引人瞩目的天文观测设备，为天文学家们带来了丰富的科学产出。中国在某些方面处于国际前沿地位，例如在暗物质探测和射电望远镜领域取得了显著进展。而在光和热红外波段，与国际先进水平仍存在较大差距。


随着天文学的发展，未来将需要更大口径的空间望远镜来捕捉更多微弱天体的光线。目前已经出现了一些针对未来空间望远镜的设计概念，例如大口径先进技术空间望远镜和单孔径远红外天文观测望远镜。这些观测神器将极大地提高人类对宇宙的认知。


参考资料：

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/


本文来自微信公众号：地球知识局 （ID：diqiuzhishiju），作者：行星不发光，校稿：辜汉膺，编辑：蛾