图解空间望远镜发展史

文 / 叶楠

光学空间望远镜

光学望远镜

光学波段是指波长约在400～700纳米之间的电磁波，这也是我们眼睛能够看到的波段。人类最早用“光”这个字指代的也是这个波段，故被称为光学波段，或可见光波段。地球的大气层对光学波段基本上是透明的，地基天文台也可以观测到这个波段的天文现象。所以相比其他波段，对光学空间望远镜的需求显得没有那么迫切。但是地基天文台还是会受到完全无法避免的两大限制：一个是大气视宁度的影响，会严重降低分辨率（图为同一架望远镜在不同视宁度下观测木星的对比照片）；另一个是地球自转的影响，无法进行连续数天甚至数月的观测。随着对观测精度要求越来越高，观测目标越来越暗弱，空间光学望远镜在20世纪末期迎来了属于它的时代。

依巴谷天文卫星

依巴谷天文卫星的全称是高精度视差收集卫星，是历史上首颗以精确测量天体亮度、位置、自行等信息为主要任务的空间望远镜，隶属于欧空局。它的英文首字母简称与古希腊天文学家依巴谷一致，故得名。“依巴谷”并不是一个很大的望远镜，口径只有29厘米、焦距1.4米、重210千克，1989年8月8日，搭乘阿里安4型火箭从法属圭亚那发射升空，轨道500公里×35800公里、倾角6.8度、周期10.6小时。“依巴谷”运行了4年，其观测数据在之后几年被编制成依巴谷星表和第谷星表。依巴谷星表包含11.8万个观测目标数据，精度高达1毫角秒，与之前的数据相比提高了两个数量级；第谷星表精度稍低，但却囊括了全天最亮的250多万颗恒星。这两个星表在现代天文学研究中有着广泛的应用。

哈勃空间望远镜

哈勃空间望远镜（HST）隶属于美国宇航局大型轨道天文台计划中四大空间望远镜之一，是公众最为熟悉的一台空间望远镜。HST的口径2.4米、焦距57.6米、RC式光路结构，望远镜长13.2米、宽4.2米，发射质量1.1吨。1990年4月24日，发现号航天飞机携带HST升空，并将其放置于高度540公里的轨道上（左图）。但HST升空后不久就发现成像无法精确对焦，1993年底的第一次航天飞机维护任务为HST加装了校正光学系统，问题才得以解决。直到2009年航天飞机时代谢幕，HST一共接受了5次在轨维护，此时HST的所有终端设备都已进行了改进。时至今日，HST已经运行了30年，科学成果无数，至于何时会退役，可能要依赖于詹姆斯·韦伯空间望远镜何时升空。

HST是一台以光学波段为主的空间望远镜，也就是说它拍摄的星空理论上我们的眼睛也是有可能看到的（实际并不能），这也许是人们对HST更为亲近的原因之一。右图是HST于1995年4月1日拍摄的名为“创生之柱”的照片，照片主体是位于鹰状星云核心区的新恒星诞生区。这张照片当时在社会公众间广泛传播，激发起人们对地球以外世界的关注，也拉进了科学与公众的距离。1998年起，正式开启“哈勃传承计划”，首次将拍摄天文科普照片纳入HST的工作计划之中。

恒星微变和振荡望远镜

恒星微变和振荡望远镜（MOST）是加拿大的第一台空间望远镜。它是一台很小的望远镜，口径只有15厘米、焦距88厘米、重60千克，因此它还有另外一个昵称叫“不起眼的空间望远镜”（Humble），与当时最大的空间望远镜“哈勃”（Hubble）相对应。MOST发射于2003年6月30日，轨道高度830公里。MOST的主要工作是做那些大望远镜不可能花时间去做的事情——对同一目标进行长时间的监测，研究其亮度变化及星震学特征。MOST正常运行至2019年3月，由于供电系统故障而退役。16年间，MOST获取了南河三、右摄提一、天仓五等数十颗恒星的长期观测数据。

科罗系外行星探测器

科罗系外行星探测器（CoRoT）（左图）是法国航天局与欧空局主导的以系外行星搜寻和星震学探测为主要任务的空间望远镜，于2006年12月27日发射升空，轨道高度608公里×898公里、倾角90度、周期99.7分钟。望远镜口径27厘米、焦距1.1米，终端由4台CCD组成的阵列可以提供2.7°×3.05°的视场。CoRoT总是背对太阳方向进行观测，在北半球夏季时主要目标为巨蛇座尾部附近天区，北半球冬季时朝向麒麟座天区。2009年，CoRoT-7b的发现引起人们极大的关注，这是历史上第一颗被证实由岩石构成的行星，也是当时已发现系外行星中体积最小的，右图是其与地球和海王星的大小对比。CoRoT正常运行至2013年，共发现30余颗系外行星。

开普勒空间望远镜

开普勒空间望远镜（左图）是美国宇航局的一台主要以凌星法发现系外行星的空间望远镜，以行星运动三定律闻名于世的天文学家约翰尼斯·开普勒的名字命名。凌星法是指如果有行星在恒星面前经过会遮挡部分恒星的光芒，使其亮度下降，通过观测恒星的光变曲线特征可以确定系外行星的存在。开普勒空间望远镜发射于2009年3月7日，采用的是尾随地球的日心轨道，周期为372.57天。望远镜采用施密特式光路结构，口径0.95米，观测波长430～890纳米。天文学家期望“开普勒”能够发现类似地球大小的系外行星。“开普勒”也确实争气，计划服役3.5年，实际运行至2018年。

迄今为止，人类共发现了4000多颗系外行星，其中2600多颗来自于“开普勒”，是所有望远镜里发现系外行星数量最多的。开普勒-452b也被昵称为地球2.0，2015年7月美国宇航局公布了“开普勒”的这一发现，它的质量是地球的5倍，表面重力是地球的2倍，半径是地球的1.5倍，围绕一颗与太阳相似的G型恒星公转，轨道半径为1.04个天文单位，周期385天。这些与地球颇多相似的数据引起人们诸多遐想。开普勒-186f是人类发现的第一颗位于宜居带内的与地球大小相仿的行星，其半径约是地球的1.1倍，但它围绕公转的恒星是一颗M型红色恒星，表面温度较低。右图是开普勒-452b与开普勒-186f所在行星系统与太阳系之比较，可见开普勒-186f 大小与地球相近。

亮目标探测器卫星网

MOST的成功使加拿大对小型天文卫星情有独钟，亮目标探测器卫星网（BRITE）（左图）比MOST还要小巧，它是边长只有20厘米的方盒子形状，重6.5千克。不过这次是加拿大与奥地利和波兰等国家合作，从2013年2月25日至2014年8月19日间一共发射了6颗这样的小卫星，所以被称为卫星网，随着最后一颗卫星从中国的太原卫星发射中心由长征四号乙火箭送入太空，卫星网终于成型。BRITE的主要工作是利用光度学和星震学来探测天空中最亮的那类OB型蓝巨星，每颗卫星视场达到24度×19度，联合观测几乎可以覆盖太阳背面绝大部分天区。通过对目标天体的长达6个月的连续高精度光度测量，为研究这类大质量恒星的内部结构和演化提供观测证据。右图是艺术家描绘下的蓝巨星船尾座ζ，通过BRITE数据分析，天文学家发现了它表面亮斑变化及恒星风之间的确定关系。

近地天体监测卫星

近地天体监测卫星（NEOSSat）是加拿大航天局的又一颗小卫星，外形与MOST非常相似，长137厘米、宽78厘米、高38厘米、重74千克，携带了一架口径15厘米、焦比f/5.88、视场0.86度的马卡式望远镜。NEOSSat于2013年2月25日从印度萨迪什·达万航天中心搭乘PSLV-C20火箭发射升空。卡尔加里大学领导的近地空间监测利用NEOSSat搜寻那些地球轨道附近的近地小行星，希望能够探测到其中暗至19等的小行星。

系外行星凌星巡天卫星

系外行星凌星巡天卫星（TESS）是美国宇航局的一台接替开普勒任务的空间望远镜，于2018年4月18日由猎鹰9火箭发射升空，被送至一个高度108000公里×375000公里、倾角37度、周期13.7天的轨道，正好是月球公转周期的一半。“开普勒”在系外行星搜寻领域做出了极大地贡献，但是它的观测天区只是天鹅座的一小片天区，而TESS的主要设备是4台宽视场相机，每台相机镜头口径为100毫米、焦比为f/1.4，每台相机配备由4个CCD组成的阵列，总像素为1600万，视场为24度×24度，4台相机同时工作可以覆盖24度×96度的视场。依靠这套快速高效的探测设备，TESS可在两年左右时间内完成对全天区的系外行星搜寻工作。截至2020年 3月，TESS已经发现了1700多颗系外行星侯选体，其中41颗已经得到确认。

全天天体测量干涉仪

全天天体测量干涉仪（Gaia）（左图）是欧空局的一台空间望远镜，也是依巴谷天文卫星的后续任务。Gaia于2013年12月19日升空，进入位于地球背面的拉格朗日L2点利萨茹轨道，周期180天。Gaia的发射质量达到2吨，携带的望远镜主镜并不是通常的圆形，而是有弧度的长方形，大小为1.45米×0.5米，在1米×0.5米的焦平面上有106个CCD组成的高达9.378亿像素的成像阵列。Gaia的观测精度比“依巴谷”高100倍，它的主要任务是测量银河系内1/100，也就是大约10亿颗恒星的位置、距离和自行，构建高精度的银河系天体三维图像。迄今为止，Gaia依然在轨工作，还有许多意料之外的新发现。右图是Gaia于2015年发现的矮星系Ant 2与大麦哲伦星系及银河系的对比，它的大小与大麦哲伦星系相仿，但亮度却要暗弱1万倍。