揭秘太空望远镜

中国空间站凌月。图/Mickey

近期，除了中国空间站“太空出差”归来的三位航天员之外，2021年12月25日升空的韦伯望远镜是天文爱好者最关注的话题之一。历时超20年，制作、升空总耗资近100亿美元，预计将于6月初开始早期科学计划的韦伯望远镜可以说是迄今为止全世界最贵，也最为复杂的望远镜。那么韦伯为什么会那么贵，它和哈勃相比有哪些不同之处，又会执行哪些主要的宇宙探索任务？太空望远镜究竟是如何拍摄和工作的？我国在太空望远镜方面又有哪些值得关注的项目和进展？

面对大众的诸多疑问与好奇，清华大学高等研究院在读博士生，国内知名天文摄影师、科普人王卓骁给我们做了一次科普——

王卓骁（Mickey）清华大学高等研究院在读博士生，研究行星系统的形成、演化。

韦伯望远镜近100亿美元的耗资（不包括升空后会投入的运行费用），主要来自于两个部分，一是NASA（美国国家航空航天局），约占88亿美元;二是欧洲航天局，它承担了发射费用并进行監督，同时负责制造韦伯的两个部件。所以除了NASA的88亿美元，欧洲和加拿大的航天机构一起贡献了额外的10亿美元，这使得它的总成本从2000年时的10亿美元涨到了现在的近100亿美元。其中NASA的支出中，许多用于调适、维护专门定制的那些高精度且不容有失的科学部件，这也就让项目成本随着项目周期的拉长和人力资源的不断投入而水涨船高。

韦伯望远镜之所以不容有失，皆因它万万不可重蹈哈勃的覆辙。1990年哈勃发射后传回的第一批图像模糊不清，经调查后发现，是主镜镜面出现了偏差。虽然这个偏差只是微不足道的2微米，但却造成了灾难性的后果——明显的球面像差，使来自镜面边缘的反射光不能聚集在与中央的反射光相同的焦点上，也就造成了成像的模糊——航天员们不得不进入太空对在近地轨道的它进行维修，让其恢复正常工作。这笔维修费用为8600万元美元，而如果这一故障在地球上就被发现且校正，维修费用只需要200万美元。

韦伯望远镜外观结构效果图。图/ NASA

这次“事故”给NASA上了昂贵的一课，加之韦伯望远镜的目的地是目前人类航天员难以抵达的日地拉格朗日L2点，所以为了确保它不发生故障，这场空前庞大和复杂的工程在地球上持续了20年。

举例来说，韦伯需要在零下233摄氏度的极寒条件下使用红外摄像机工作，为保护望远镜免遭太阳热辐射的伤害，NASA做了一面网球场大小（长22米，宽11米），由五层反射率极高的材料制成的遮阳帆，它可以承受极端的温度波动，并阻挡会损伤望远镜的一些粒子。同时，因为天文望远镜还配备有相机，要维持它的运作需要有一台能提供接近绝对零度的温度，且自身又能在极端温度下正常运转的低温冷却器，最终这台冷却器的开发花掉了NASA大约1.5亿美元。

韦伯望远镜校准照片。图/ NASA

韦伯和哈勃的差异主要存在于几个方面：

首先在于外形大小，哈勃长12米，重约11吨，韦伯长22米，重6.2吨;望远镜有效孔径，哈勃是2.4米，韦伯则有6.5米。

其次，它们的镜面设计也存在不同。哈勃的镜面是一个单独的圆形镜面，而韦伯的镜面则是由18块长约1米的六边形镜面拼接而成的蜂窝结构。之所以采用拼接方式，是因为目前人类所研发的大型运载火箭（如长征五号，以及承担本次韦伯发射任务的阿里亚纳5）仍无法发射直径大于5米的物体。因而韦伯是被折叠后发射的，抵达目的地后再通过程序进行组装。也正因如此，韦伯不需要跟哈勃一样配上笨重的外壳，它只要花费2到3周的时间，把镜片展开、撑起支架就能和地面上许多科研望远镜一样，把自己遮蔽在黑暗环境中，屏蔽外界杂光。

第三是轨道不同带来的不同观测效果。哈勃位于离地面500多公里的近地轨道，大约95分钟绕地球一圈，它会不停经历日出日落的太阳光线干扰。反观韦伯，它的高度甚至已经远远超出了月球的轨道，在距离地球100多万公里外的日地拉格朗日L2点上。这是天文学家们梦寐以求的探测仪器放置点，因为在这个位置上，仪器几乎可以和地球同步绕太阳稳定转动，既不会被日出日落所干扰，也不会被地球上散发的各种红外辐射所影响。

第四是它们的工作波段不同。哈勃空间望远镜主要是一台光学望远镜，捕捉的是我们熟悉的380～760纳米这样一个光学波段，与人眼差不多，仅向红外线和紫外线波段稍微扩展了一些。而韦伯望远镜被设计成完全在红外波段内进行观测，几乎不会触及人眼能看到的最“红”的波段。换句话说，它将研究对人类的肉眼来说“看不到”的对象。

哈勃（上图）和韦伯（下图）的镜头对比 图/ NASA

综合以上几点，韦伯虽然被许多媒体称为哈勃的“继任者”，但严格来说它们之间并不是替代关系，而是一种互补。至于哈勃是否会“退休”，这取决于它的燃料剩余。太空望远镜也好，人造卫星也罢，只要维持其运作的燃料没有耗尽，那就可以继续工作，一旦燃料耗尽，就会跌出其运行轨道，再入大气层，或者成为太空垃圾。目前NASA对韦伯的预计使用寿命是20年，但只要燃料没有耗尽，那它依然可以“延迟退休”。

哈勃和韦伯的轨道与地球的距离。图/ NASA

韦伯升空后，许多媒体报道，它将首先观测一颗距离地球大约260光年，位于大熊座、编号为HD84406的类太阳恒星。这是否就是它的主要科学任务之一？事实上并非如此。

韦伯望远镜升空以来的lDPQUshNtBSXoPiK/MrPdA==首张清晰照片，图像最亮红点为恒星（2MASS J17554042+6551277），背景中其他小亮点为星系与其他恒星。图/ NASA

观测HD84406是韦伯升空后的一次试验性校准。因为它是一台光学仪器，跟所有科学仪器一样，组装后要做的第一件事就是校准。用这样一颗标准的恒星为参照，选择恰当的亮度、观测时机等，进行相关的校准，这和人类摄影师拍摄前要调整检测光线、对焦、白平衡等等是一样的。

在完成这一系列校准工作后，韦伯会开始它最重要的一项科学任务——以其高敏感的红外波段捕捉宇宙诞生至今的100多亿年以来，在其演化过程中，可见光穿行后红移的过程。在物理学和天文学领域，红移指物体的电磁辐射由于某种原因波长增加的现象，在可见光波段，表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离，即波长变长、频率降低。宇宙中最早诞生的那些恒星，它们的光若是可以被我们“看到”，那很可能已经发生红移，所以我们要用红外观测，才能“看到”宇宙早期这些恒星所发出的清晰光芒，这也就是为什么韦伯的主要科学任务被理解为观测宇宙“婴儿期”的模样。

韦伯的第一批正式科研图像将在2022年年中送回地球，科学家们和广大天文爱好者都十分关心韦伯究竟能“看到”什么，比如第一颗恒星是什么时候诞生的，它诞生时是什么样子，有哪些性质，和今天太阳周围的恒星有哪些差异等等，这些问题可能都会由韦伯所传回的图像揭秘。

也有人担心，韦伯既然能够“看到”过去，这是否就意味着人类能通过它的观测知晓一部分的宇宙普遍发展规律，从而“预知”我们星系乃至星球的未来，产生宿命论般的既定感？但事实上，看到过去，不等于预知未来。就好比我们谈进化论，生物会进化，这是确定的，但它究竟会进化成什么具体的模样，这是无法做判断的。这种思考更接近哲学讨论所带来的困惑，但若用数学来解释，我们能清晰得看到它背后的逻辑。

从微观的角度来说，天文学在用量子力学来描述这个世界。量子力学确切地告诉我们，微观粒子是具有不确定性的，它的描述是概率性的。所以从这个角度来说，我们的宇宙完全没有决定论，也完全没有宿命论，我们所知仅限于它只有一个概率，至于这个概率究竟落在哪儿，这是一个随机事件。

从宏观来说，天文学是基于爱因斯坦广义相对论，外加牛顿力学的一些理论和知识去研究宇宙的形成演化。从某种程度上来说，我们的确可以运用现有的理论来预测它的未来，比如这些星系是怎么演化的，它会变成什么样的结構。不过在实际的研究中，即便一切都是基于基础原理展开的，庞大而复杂的宇宙系统模型中却包含了无法穷尽的随机事件，这在数学意义上注定了未来无法被清晰而具体地预知，在数学上这也被称为“混沌”理论。当然，如果我们拥有无限强大的计算能力，或许是可以穷尽这些数学公式来获得一个唯一的解，但数学也告诉我们，无限只是“逼近”，而非真正存在。

4月16日，神舟十三号飞行乘组安全返回地面，任务取得圆满成功，标志着空间站关键技术验证阶段的完美收官。与此同时，我国深空探测的快速发展，催生发展出一门多领域交叉新学科——行星科学。在行星科学的需求牵引和支持下，我国科学家将开展一系列前沿科学探索，司天工程、天邻计划、大口径光学红外望远镜等正有序推进。其中，中国空间站巡天望远镜计划于2023年年底发射入近地轨道开展巡天观测。

目前世界上用望远镜进行天文观测有两种模式：一种是对某个或者多个已知目标进行观测;另一种是对天空中的大片区域进行无差别扫描。后一种模式就叫做“巡天”，这种观测能够发现更多的未知天体。

中国空间站巡天望远镜，因口径与哈勃相当，被不少天文爱好者称为“中国的哈勃望远镜”，但是它的视场要比哈勃望远镜大300倍，也搭配了星冕仪，可以对（太阳）系外行星直接成像，这对太阳系外行星科学的研究有很大作用。作为我国研制的规模最大且科技含量最高的空间望远镜，空间站工程巡天望远镜的部分技术和功能在全世界也处于领先的第一梯队。其大视场、高分辨的设计主要为了适应“巡天”观测应用，如果成功运行，将弥补我国在大型空间望远镜领域的空白。此外，空间站巡天望远镜还拥有从近紫外到近红外波段的多种滤光片。这意味着我们可以看到天体更多、更准确的颜色信息，形成更加绚丽的天文图片，而天体的颜色可以让天文学家获得关于天体自身性质的宝贵信息。

2021年10月19日，观众在2021杭州云栖大会上观看“仰望一号空间望远镜”模型。图/ 视觉中国

除了国家层面的大型空间望远镜之外，有很多商业航天企业也在考虑开发一些小型的空间望远镜，而在商业航天领域，国内同样也有一些值得一提的空间望远镜。比如“仰望一号”，它是中国第一台空间光学/紫外望远镜，也是全球首个商业公司开展以小行星发现、研究、预警为目标的太空望远镜;再比如长光卫星技术有限公司，他们也发射了许多遥感卫星，并且这些遥感卫星也可以扭头对天，当做空间望远镜来使用。不过国内这方面的商业应用还在起步阶段，并不十分成熟，主要还是集中在遥感、气象等领域上。

星野摄影一般更偏重于对我们所熟悉的夜空场景的记录，只要有一个比较好的构图和场景，就能得到比较令人满意的照片，所以它和风光摄影之间结合得也比较深。

深空摄影顾名思义，是以深空天体为拍摄对象的天文摄影。它关注的是天空中的某一小片区域，借助大型的望远镜、稳定的跟踪设备等，对某一片小区域进行长时间曝光得到的想要的天体照片。我们看到过的一些哈勃所拍摄的壮观图像，也是这么得来的，只不过哈勃的功能和拍摄位置要比在地球上的望远镜和深空摄影师要优越上许多。

这主要分为两个阶段：第一阶段是拍摄，一般根据想要拍摄对象的不同，会花上三四小时到二十多小时不等。这取决于你的拍摄对象是否足够明亮，拍摄对象越暗，所需要的时间就越久。第二阶段是后期，这花费的时间就因人而异了。一般而言，深空摄影曝光最开始都会使用单色相机，即拍摄出来的均为黑白图像，但是单色相机依然会记录红绿蓝三色的波段。摄影师会基于自己的审美和爱好，对这三色的波段信息做色彩平衡方面的调整，所以如果多位摄影师拍摄相同的天体对象，得到的黑白图像信息基本不会出现大的不同，但最后他们却可能在后期中赋予各自深空摄影作品不尽相同的色彩。这就好像同一张照片，不同修图师也会修出不同的效果。

面纱星云局部。图/ Mickey

国际空间站凌日。图/Mickey

风车星系。图/Mickey

“能看多远”，这是很多人都会问的一个问题，但实际上这个问题不够合理。试想一下，你点燃一根小小的生日蜡烛，因为它的光点很小很暗，可能几十米外就已经看不到了，但如果把蜡烛换成一盏强光灯，哪怕在几百米甚至一公里外都能看到它。所以能否“看到”，不取决于物理距离，而取决于你想观测的对象有多亮。

举一个具体的例子，相比市面上望远镜的直径，我们人类的眼睛非常小，小光圈只有7毫米（地球上最大的天文望远镜口径在10米），但我们无需任何辅助设备，仅靠肉眼观测，就能看到300光年外的一些星星——因为它们足够明亮。

图/哈勃望远镜

图/哈勃望远镜

哈勃望远镜所拍摄的图像产生了19000篇科学论文，其中许多改变了我们对宇宙的看法，随着越来越多专业级科研太空望远镜的升空，在它们日复一日、年复一年的凝视中，定然会有越来越多令人难以置信的科学成果出现在人们的面前……

与此同时，相比专业性更强的深空摄影，更易上手、更易入门的星空摄影/星野摄影这两年来成为普罗大众了解宇宙、欣赏星空之美的一条亲民路径，星空摄影也随之承担起了一定的科普作用——