太空望远镜：寻找宇宙的拼图

+ 刘进军

内蟹星云：中央部分显示脉冲星风星云，中心的红星是蟹状脉冲星。（“哈勃”、“钱德拉”太空望远镜拍摄）

编者按：

6月27日，NASA宣布“詹姆斯·韦伯”太空望远镜发射日期将推迟至2021年3月30日，这比NASA3个月前宣布的2020年5月发射晚了近一年。而该望远镜最初计划的发射时间是2014年。独立评审委员会主席托马斯·扬说：“没有理由重新考虑这项任务到底还要不要发射。由于其科学上的说服力，并鉴于其对国家的重要意义，‘韦伯’太空望远镜任务应该继续。”

“韦伯”承载了无数天文学家发现宇宙新奥秘的殷切期盼，除了韦伯之外，在美国及欧洲的太空计划中，还有很多已发射或即将发射、但都将在未来发挥重大作用的太空望远镜，它们的科研意义和工作原理如何？本文将进行详实的介绍。

浩淼的宇宙，深邃的时空。当我们仰望神秘的太空，追忆过去、思考现在、展望将来时，不禁要问：

宇宙是怎样诞生的？宇宙到底有多大？宇宙多大年龄了？宇宙大爆炸是真的吗？宇宙存在黑洞、暗物质、暗能量和引力波吗？星星是怎么来的？太空文明在哪儿呢？遥远星球上有没有外星人？太空探测会不会引“狼”入室？我们人类来自哪儿？地球人是孤独的吗？······

而太空望远镜（又称天文太空观测站）便是帮助我们观察、了解宇宙的一项最重要的工具。按主要工作频率范围，太空望远镜分为伽玛射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电等类型。

最近3年内，各国新一代太空望远镜正整装待发，准备开辟新视野。现在，让我们穿越时空、历史、地理、文化和想象，以崇敬的心情拉开宇宙的神秘面纱，寻找宇宙拼图！

“苔丝”太空望远镜

“苔丝”(TESS)凌日系外行星勘测卫星是一颗太空望远镜，为美国宇航局“探险者”计划之一。它的目标是寻找凌日系外行星。

“苔丝”太空望远镜的星体为六角形，前方一个喇叭状摄像罩。发射重量350千克，尺寸为3.7米×1.2米×1.5米，电力400瓦特。“苔丝”是专门为了执行首次星载全时空过境系外行星调查仪器而设计。它配备4台广角望远镜，每台摄像机都具有低噪音、低功耗、16.8百万像素的CCD探测器。每架摄像机有一个24°×24°的视野，一个100毫米有效瞳孔直径，1个镜头与7个光学元件，带通范围600毫微米（nm）。

“苔丝”的轨道动力学比较罕见。为了获得北半球和南半球天空中的流畅图像，“苔丝”将利用2∶1月球共振轨道。这是一个以前从未使用过的轨道，它在这一高度椭圆轨道将保持稳定数十年之久，并保持相机在一个稳定的温度范围。“苔丝”的大部分轨道飞行都是在范艾伦辐射带之外度过，以免对“苔丝”造成核辐射损害。每隔13.7天时间，“苔丝”将会运行至10.8万千米的近地点上，在大约3个小时的时间内，把在轨道上收集到的数据向地球传输。

“苔丝”太空望远镜的科学目标是：观测和测量聚焦于g、k和m型恒星附近的行星。它将对50万颗近地行星进行深入研究，包括上千颗最近的红矮星。它比“开普勒”太空望远镜横跨天空区域大400倍。科学家预计“苔丝”将会发现超过3000颗系外行星，包括地球大小或更大的类地行星。届时，人类也许能发现一些位于恒星周围的宜居地带的超级地球。

此前，地面天文望远镜的巡天主要探测到巨型行星。相比之下，“苔丝”会研究在天空中最明亮的恒星周围的许多小行星。“苔丝”将记录最近和最明亮的主序星。这些恒星是过境系外行星。这是最有利的目标，必须详细调查。

“苔丝”将宇宙分成26个观测区域。每个区域为24°×96°。它将花费2天的轨道观测每个区域。“苔丝”在第1年观测地球南半球的区域，在第2年描绘北半球的天区。“苔丝”的每一台摄像机都将拍摄一分钟的曝光，聚焦于特定目标的恒星，作为其过境搜索的一部分，搜寻其他瞬态事件。

“苔丝”太空望远镜利用凌日测量过境系外行星

2018年4月18日，“苔丝”太空望远镜搭乘“猎鹰-9”号火箭，从卡纳维拉尔角空军基地发射升空。“苔丝”太空望远镜将开启新一轮寻找地球兄弟的科学探索，为人类带来新的好消息。

“詹姆斯·韦伯”太空望远镜

2010年，美国宇航局和欧洲太空局合力打造了一架功能更强大的太空望远镜，它的名字叫“詹姆斯·韦伯”。科学任务是：对太空进行空前探索，寻找最早形成的恒星和星系，研究宇宙的起源和演化。

“詹姆斯·韦伯”太空望远镜（JWST）重约6.5吨，直径达20.1米，宽7.21米，功率2千瓦。望远镜直径6.5米，焦距131.4米，收集区25平方米。主镜片由轻质铍材料制成，18片六角形快门薄片组成镜片，每片1.3米宽，总聚光面积约25米，7倍于“哈勃”太空望远镜的聚光能力。“韦伯”太空望远镜没有镜筒，主镜片也不是传统的光学镜片，而是射电望远镜的天线。

“詹姆斯·韦伯”的多层遮阳板是一种镀铝高分子薄膜，用于遮挡太阳和地球等干扰的热量和光源。它的长度达22米，分列两边共10片，面积有一个网球场大小。这么大的遮阳板怎么才能送上太空呢？要知道，火箭的整流罩最多只能装下5米以内的有效载荷。

位于马里兰州的美国宇航局戈达德太空中心的科研人员，玩了一把高科技的太空“折纸”游戏。“詹姆斯·韦伯”发射前，遮阳板折叠在一起；到达太空后，遮阳板打开。这时的“詹姆斯·韦伯”，好像一只蝴蝶在深空飞舞。

“韦伯”太空望远镜装载了近红外相机、近红外光谱仪、中红外仪器、近红外成像仪、无缝摄谱仪、精细制导传感器等。它将透视130亿年的整个宇宙，寻找早期恒星的踪迹，捕捉恒星发出的正朝红外线过渡的强烈紫外线。科学家希望“韦伯”太空望远镜具有足够的灵敏度，探测到第一代恒星，能把目光深入到更遥远的过去——宇宙黑暗时代。

“韦伯”太空望远镜

“韦伯”太空望远镜和多层遮阳板

“韦伯”太空望远镜背面

“韦伯”太空望远镜将提供前所未有的分辨率和灵敏度，从可见光、近红外到中红外。能够探测到行星大气层中的水、氧气、臭氧和相当多的其他元素。此外，“韦伯”能够分析行星的温度和表面压力。

“韦伯”太空望远镜由位于阿拉巴马州亨茨维尔的美国宇航局马歇尔航天中心研制。2006年，“韦伯”太空望远镜完成了X射线与铍镜低温试验。

“韦伯”太空望远镜的底部

“韦伯”太空望远镜的底部，面向太阳的一面

“韦伯”太空望远镜的有效载荷

望远镜的镜片必须保持冷度，这样才能对温暖的物体发出的红外光和热十分敏感。如果“韦伯”太空望远镜的反射镜温度过高，从遥远星系的微弱红外光可能会丢失在镜片本身发射的红外光中。因此，“詹姆斯·韦伯”太空望远镜的反射镜需要通过深冷低温状态或-379华氏度左右测试。

美国宇航局马歇尔太空中心测试“韦伯”的镜片

在测试过程中，镜片浸泡到-415华氏度的极端温度下，进行冷却镜片改变形状的实验，以确保镜子在太空环境能够保持正常形状。

科学家一旦发现有误差，将再次打磨，渐渐磨薄涂层。在低温中测试表面温度的变化，可以保证每一面镜片在温度范围内的空间形状极为精准。这有助于预测和更精确地获取红外图像。

“韦伯”的成就将超越“哈勃”太空望远镜和“斯皮策”太空望远镜。“哈勃”的镜筒只有2.4米直径，而“韦伯”有6.5米直径的大型和分段型的主镜。“韦伯”发射后将位于地球-太阳之间的L2拉格朗日点附近，在这儿，距离地球高度150万千米，地球、太阳的引力与离心力平衡，使“韦伯”消耗尽可能少的燃料，保证可长期飞行。

根据天体力学和太空动力学原理，法国数学家约瑟夫·路易斯·拉格朗日在天体运行轨道附近三分之一处，发现和计算出了5个特殊的引力平衡点。每个点与两个天体都形成一个等边三角形。后来，这些天体引力平衡点被命名为“拉格朗日点”，分别称为：L1、L2、L3、L4和L5拉格朗日点。

日地系统的5个拉格朗日点示意图（不按比例）

拉格朗日认为：任何双星系统都有5个拉格朗日点，如地日系统、地月系统等。在这些点上，两个天体之间的万有引力与离心力刚好一样大。小天体在这个点上相对静止，飞行很稳定很省力，所以“拉格朗日点”又称为天平点、平动点。“拉格朗日点”是太空探测器、太空望远镜定位和观测太阳系的理想位置。在航天工程和太空科学上，“拉格朗日点”具有重要的实际应用和科学探索价值，也是国际深空探测的热点。

“外行星卫星探测”太空望远镜

“外行星卫星探测”号(CHEOPS)是一架欧洲太空望远镜，用于研究太阳系的形成。它发射质量300千克，有效载荷质量58千克，尺寸1.5×1.5×1.5米，电力64瓦特，设计寿命3.5年，是欧空局“宇宙远景2015~2025”计划中的第一个小型太空望远镜。

“外行星卫星探测”装载了一个32厘米口径的里奇-克雷蒂安光学望远镜，安装在一个标准小卫星平台。光学望远镜焦距F/8，波长330～1100毫微米。它的科学任务是检查已知的过境外行星轨道和附近的卫星。

“外行星卫星探测”的主要目标是精确测量地面光谱测量已经提供大量估计的外行星的半径。如果知道行星的质量和大小，科学家就可以确定它们的密度，从而决定它们的近似组成。例如，它们是气态的，还是岩石的。“外行星卫星探测”将是最有效的太空望远镜，寻找已知的过境外行星，准确确定半径，从超地球行星到地球半径六分之一的海王星质量范围的行星。

“外行星卫星探测”将由太阳能电池板供电。这也是太空望远镜遮阳的一部分。它们将为有效载荷操作提供60W电力，并允许至少1.2兆字节/天的数据下行容量。

“外行星卫星探测”号太空望远镜预计将在2018年底之前，在法属圭亚那航天中心搭乘“联盟”号火箭发射升空。它将运行在近地点700千米，远地点700千米的太阳同步轨道上。

“外行星卫星探测”号太空望远镜

“欧几里德”太空望远镜

“欧几里德”太空望远镜是欧空局和欧洲各国组成的“欧几里德”集团正在开发的近红外太空望远镜。它的任务目的是通过精确测量宇宙的加速度，更好地理解暗能量和暗物质。暗能量被普遍接受为增加膨胀的宇宙加速。因此，理解这种关系将有助于改进物理学家和天体物理学家如何理解它。

这架太空望远镜以古希腊数学家亚历山大·欧几里德的名字命名。“欧几里德”的使命是推进和补充欧空局的“普朗克”太空望远镜的科学探索。它是欧空局“宇宙远景2015～2025”科学计划的一部分。

“欧几里德”太空望远镜

“欧几里德”测量星系红移

“欧几里德”太空望远镜探测暗能量

欧空局选择了意大利的泰雷兹阿莱尼亚空间建造“欧几里德”号太空望远镜。它长度4.5米，直径为3.1米，质量为2.16吨，有效载荷质量0.855吨。“欧几里德”的有效载荷由空客防御与太空公司管理。它包括一个“柯尔施”望远镜，主镜直径1.2米，面积0.5平方度。平方度(deg2)是一种实体角度量单位，包括平方米和度。就像用度测量一个圆的部分一样，平方度用来测量球体的各个部分。

2015年，“欧几里德”号太空望远镜通过了初步设计审查，完成了大量的技术设计，以及构建和测试的关键组件。

“欧几里德”号的发射日期计划在2020年。它将从法属圭亚那航天中心搭乘“联盟”火箭发射升空。在30天的旅行时间后，它将稳定地行驶在太阳-地球“拉格朗日-L2”点周围，大约100万千米的利萨茹路径。

“欧几里德”号的使命将持续至少6年。它将观察大约1.5万平方度，或大约3个河外星系。这项调查将辅以额外的观察，大约10倍深度指向2个不同的区域，位于接近黄道两极和覆盖20平方度。这2个区域将在“欧几里德”号整个期间定期访问。它们将被用作校准领域，监视望远镜和仪器的性能稳定性，并产生科学数据，观察宇宙中最遥远的星系和类星体。

为了测量每个星系的光度红移的精度，“欧几里德”号的任务取决于在至少4种可见过滤器中获得的额外光度数据。这些数据将从位于北半球和南半球的地面望远镜获得，以涵盖“欧几里德”号的全部1.5万平方度。“欧几里德”号观测任务的每个星系都将获得至少7种不同过滤器的光度信息，覆盖整个460～2000nm范围。

“欧几里德”号观测大约100亿个天文天体，其中10亿个天体将用重力剪切测量，精确度比今天使用地面望远镜提高50倍。

“欧几里德”号拥有巨大的体积、多样性和高精度的量度，需要在数据处理方面有很大的注意和努力。这是一个关键的任务。多样性包括：空间和地面，可见和近红外线，形态测量，光度和光谱学。

欧空局、各个国家机构和欧几里德集团正在花费大量资源，在算法开发、软件开发、测试和验证程序、数据归档和数据等方面，建立了顶级研究人员和工程师团队。奥地利、比利时、丹麦、芬兰、法国、德国、意大利、荷兰、挪威、葡萄牙等100个实验室，罗马尼亚、西班牙、瑞士、英国、加拿大和美国的1200人组成的科学家团队将对这一庞大的数据进行科学开发。

由于广阔的天空覆盖、亿万恒星和星系的编目， “欧几里德”号收集的数据的科学价值超出了宇宙学的范围。这个数据库将为世界天文学提供丰富的来源和目标，为未来的任务提供技术和经验。

“欧几里德”号探测星系

“小探险家”太空望远镜

“小探险家”太空望远镜

早在1989年，美国宇航局提出一个“小探险家”计划。它是一项小型太空探索航天器计划，每个航天器费用不超过1.2亿美元。从1989年开始至今，“小探险家”计划已经研制、发射了14个航天器。

2017年1月3日，美国宇航局宣布∶“小探险家”计划开发了一架X射线太空望远镜，命名为“探险家”成像X射线极化太空望远镜，预定在2021年发射。“小探险家”成像X射线极化太空望远镜（IXPE）是一颗X射线天文卫星，又名“小探险家-14”。

“小探险家”太空望远镜，采用“BCP-100”卫星平台，发射质量292千克，太空望远镜焦距4米，波长X射线，转发器S频段，设计寿命2年，费用估计为1.88亿美元。

“小探险家”太空望远镜是一个国际合作项目。2017年6月，各国为“小探险家”号签署了一项国际合作。意大利太空代办处提供X射线极化探测器。美国宇航局马歇尔太空飞行中心的科学家布劳恩·拉姆齐带领研究人员，努力研制X射线望远镜。其他合作伙伴包括：科罗拉多大学博尔德分校、斯坦福大学、加拿大麦吉尔大学和麻省理工学院。

“小探险家”号是未来的太空天文台，配备3台相同的望远镜设计，以测量宇宙X射线的偏振度。它的使命在于研究异乎寻常的天文对象和允许映射黑洞、中子星、脉冲星、超新星残余、磁星、类星体和星系核活跃的磁场。

“小探险家”号太空望远镜装载了两大有效载荷：成像X射线极化系统、气体像素探测器。

成像X射线极化系统：一套3台相同的成像X射线极化系统，安装在一个共同的光学工作台上，并与航天器的指针轴协调。每个系统独立地运作，并且包括一个4米焦距太空望远镜，聚焦X射线到意大利开发的极化敏感成像探测器。焦距通过调节获得。

“小探险家”号穿越危险和神秘

气体像素探测器：利用极化光子产生的光电子发射方向的各向异性，对X射线在气态介质中相互作用的偏振态，进行高灵敏度测量。此类同步辐射发射源的位置和能量依赖性偏振图，将阐明X射线发射区域的磁场结构。X射线极化成像较好地表明了强电子加速度区域的磁结构。气体像素探测器能够从周围的星云发射或相邻点源中解析点源。

“小探险家”太空望远镜将于2021年由美国轨道科学公司发射，预计运行在近地点540千米、远地点540千米、轨道倾角0°的轨道上，任务期2年。

“柏拉图”太空望远镜

“柏拉图”太空望远镜（PLATO）全名为“过境行星与振荡恒星”太空天文台。

2007年，科学家对欧空局“宇宙远景2015～2025”计划的呼吁作出回应，首次提议建造“柏拉图”太空望远镜。2009年，欧空局完成了评估，并在2010年5月进入了定义阶段。

2015年1月，欧空局选择泰雷兹阿莱尼亚太空公司、空客太空系统公司和位于德国不来梅的OHB系统股份公司，同时研发“柏拉图”太空望远镜的系统和子系统，并在2016年完成。2017年6月20日，欧空局在科学方案中选中了OHB系统股份公司研发的“柏拉图”太空望远镜。这意味着“柏拉图”可以从蓝图转变为太空中的实物了。

“柏拉图”的主望远镜采用多折射望远镜，收集区域2250平方度，可见光谱波长500～1000nm。“柏拉图”的有效载荷是基于多望远镜的方法，包括24台望远镜相机，读出节奏为25秒，加上2个快速摄像头，工作节奏为2.5秒。照相机根据一个完全地屈光度望远镜，包括6个透镜；每台相机拥有1100平方度视场，透镜直径为120毫米。每台相机都配备了CCD焦平面阵列，包括4架CCD相机，4510×4510像素。

“柏拉图”的24台相机的视线偏移为9.2°角度。这种特殊的配置允许测量每台相机获得2250平方度的总视场。“柏拉图”将每3个月环绕90°的平均视线旋转，以便对同一地区的天空进行连续调查。

“柏拉图”的目标是找到像地球这样的行星，不仅研究它们的大小，而且还要研究可居住性的潜力。“柏拉图”将搜寻30～100万颗行星和行星轨道，确认行星诞生、形成和运行。为实现这一目标，“柏拉图”确定了以下目标∶

1、发现和描述大量接近的外行星系统，精确测量行星半径、年龄和质量；

2、太阳型恒星周围宜居区地球大小行星和超大行星的检测与表征；

3、发现和描述大量的外行星系统，研究它们的典型体系结构，以及它们对其宿主星和环境的属性和依赖性；

4、测量恒星的振荡，以研究恒星的内部结构，以及年龄的演变；

5、确定光谱测量的良好靶点，以研究外行星大气。

欧空局预计：“柏拉图”太空望远镜将在2026年从法属圭亚那航天中心发射升空。它将运行在地球-太阳的“拉格朗日-L2”点上。

“雅典娜”太空望远镜

“雅典娜”高级太空望远镜(ATHENA)是一架高能天体物理学太空望远镜。它是欧空局未来的X射线望远镜，大约发射时间为2028年。

“柏拉图”太空望远镜

2000年代初，欧美开始了2个任务概念的太空望远镜：欧空局的“X射线演变宇宙光谱”太空望远镜，美国宇航局的“星座-X射线”太空望远镜。2008年，这2项建议合并为美国宇航局、欧空局和日本宇宙航空研究开发机构的“国际”X射线太空望远镜的联合计划。

2011年，由于资金问题，主要是因为“韦伯”太空望远镜的成本超支，美国宇航局退出“国际”X射线太空望远镜。欧空局决定研制成本较低的X射线望远镜，即“雅典娜”太空望远镜。2012年，“雅典娜”希望入选了第一个L级“宇宙远景”计划，但却输给了“木星冰卫星”太空探测器。2014年，在进行了一些修改以后，“雅典娜”被选为第2个L级“宇宙远景”计划使命。

2014年6月27日，欧空局最后决定：重新启动“国际”X射线太空望远镜。2014年7月16日，“雅典娜”高级太空望远镜研制小组成立。2014年8月，硅孔光学望远镜进行最初的振动测试。欧空局的科学方案委员会将于2019年举行会议，以便在同年开工前对项目进行全面审查和最后核准。

“雅典娜”的发射质量5525千克，净质量5038千克，电力5.556千瓦，设计寿命5年。“雅典娜”装载了一架X射线望远镜，焦距12米；X射线积分场单元；广域成像仪。它的主要科学目标是绘制热气体结构，确定物理性质，并寻找特大质量黑洞。

“雅典娜”将比现有最好的X射线望远镜——“钱德拉”X射线太空望远镜和“牛顿”X射线太空望远镜敏感100倍。

“雅典娜”太空望远镜

欧空局“宇宙远景”计划概念图

“雅典娜”太空望远镜透视特大黑洞