“巡天”遥看一千河 - 从地面到太空天文望远镜

中国“巡天”太空天文望远镜（CSST） 图片来源：网络

根据中国空间站项目的最新消息，“梦天”实验舱的发射时间为10月31日，届时我国的空间站建设阶段全面完成，“天宫”将正式进入运营阶段，随着近期第四批航天员的选拔，和首批载荷专家的选拔，我们期待“天宫”为我们带来更多的新发现。

“天宫”空间站只是星辰大海征程的开始，我们想要走的更远，就需要先看的更远，我们知道“天宫”还有一个小伙伴，那就是“巡天”太空望远镜；“坐地日行八万里，巡天遥看一千河”，中国的首台太空天文望远镜“巡天”计划于2024年发射，届时将与“天宫”空间站共轨飞行，必要时还可以与空间站对接，方便航天员对“巡天”进行升级和维护。

从伽利略发明第一台天文望远镜，到今天地面上大大小小的天文望远镜与翱翔在外太空的各种类型天文望远镜望远镜，今天我们来看看天文望远镜的演进过程及其对科学的贡献。

伽利略望远镜及手稿

回到400多年前的1609年，伽利略在普通望远镜的启发下，制造出了首台天文望远镜，人类第一次看见了月球上的环形山，接着他有观察木星，发现了木星的4颗卫星，以及看到了美丽的土星光环，这些发现有力的证明了当时不被普遍接受的日心说，从此打开了人们的思想禁锢，这才有了近代物理学的飞速突破，17-19世纪，第谷、开普勒、哈雷、牛顿、拉格朗日等天才天文学、物理学家都是在这之后涌现出来的。

伽利略的观测证明了日心说之后，直到18世纪后期，人类对太阳系的认识一直停留在“金木水火土”及地球的六大行星。

赫歇尔还是一位出色的作曲家，音乐家，凭借天文学的成就获得了爵士爵位， 图为赫歇尔亲自打造的天文望远镜

1781年3月13日，英国天文学家威廉·赫歇尔用自己打造的当时世界上最大的天文望远镜发现了天王星，赫歇尔的望远镜的放大倍数达到了2010倍，而当时英国皇家天文台的望远镜的最大放大倍数也只有270倍。这是人类历史上第一次凭借望远镜发现的第一颗肉眼无法看到的行星，轰动了世界。

折射造成的色差示意图

我们知道，伽利略的望远镜的放大倍数大概是32倍，伽利略望远镜的原理是我们熟知的折射式望远镜，用一面凸透镜最物镜，一面凹透镜做目镜组成；由于不同波长的光在介质中的折射率不一样，因此折射望远镜存在色差缺，这会严重影响观测结果。

对外太空探索的渴望，人类有多么的努力

为了解决色差，就需要增加焦距，焦距足够长时，色差就可以忽略了。当时，各路天文学家各显神通，为了看的更远，他们制造出了一些庞然大物，比如卡西尼在1672年用焦距11米的望远镜发现了土星的第五颗卫星，惠更斯更是造出了焦距65米长的望远镜，物镜安装在一个很高的支架上，因此这些望远镜的实用性非常差，折射式望远镜的放大倍数受制于焦距无法有效增加。

“牛顿”式望远镜原理示意图

牛顿在1671年发明的反射式望远镜解决了这个难题，为天文望远镜的发展带来了革命性的变化，因此也叫“牛顿式”望远镜，赫歇尔的望远镜正是“牛顿”式望远镜。

赫歇尔凭借自己制造的当时世界上最先进的天文望远镜，不但发现了天王星，还对恒星进行了大量观察，通过大量观测与统计，赫歇尔证实了银河系椭圆形的假说，开创了恒星天文学，被誉为“恒星天文学之父”。

“卡塞格林”式反射望远镜原理，目前大型天文望远镜的主流， 大名鼎鼎的“哈勃”就是“卡塞格林”式

牛顿的反射望远镜虽然消除了色差，但是仍然存在其他的像差，比如慧差；1672年，法国天文学家卡塞格林对“牛顿”式望远镜进行了改良，自此，我们通常说的光学天文望远镜的原理几乎没有什么大的改变，区别在于主镜和副镜的面型、口径以及材料技术的进步带来的改进。

后来，天文望远镜进入了大型天文台的建设，我们看到的大型地面天文望远镜印象就变成了如下：

坐落于夏威夷4200米海拔的“凯克”天文望远镜，口径达10m

位于南非的“SALT”天文望远镜

地面天文望远镜由于受到大气对光线的吸收、衍射等影响，以及对面光污染的影响，观测精度受到限制，通常都建设在人迹较少的地区或者高山上，但是并不能消除这些影响，美国天文学家莱曼·斯皮策就发表了论文，指出太空天文望远镜的优点。

1990年，人类历史上第一个大型太空光学天文望远镜“哈勃”的发射，人类的视野变得前所未有的辽阔。
哈勃的主要成就：

• 测量了更精确的宇宙年龄
• 证实了宇宙在加速膨胀
• 证实了黑洞的存在
• 描绘了暗物质3-D图像
• 发现了大量的遥远星系，星系团等等。

一次次刷新人们对宇宙认识的“哈勃”太空望远镜 “哈勃”创造的许多个天文学“第一次”我们就不一一列举了

在这里，我开始在天文望远镜的前面加上了“光学”两个字，因为，进入20世纪后，随着物理学的发展，人类对电磁学的发现，射电望远镜开始出现，人类观测太空不再仅限于可见光的观测。

可见光仅占电磁波谱的一小段

1931年，美国贝尔实验室的无线电工程师央斯基用天线接收到了周期性的电磁信号，经过一年多的测量与计算，央斯基判断这些信号来自于银河系的中心，并于1932年发表论文宣布这一发现，这是人类历史上第一次接收到来自宇宙的无线电信号；自此，天文学进入了射电天文学时代。

世界上最大的射电天文望远镜，中国的"FAST"天眼

由于二战后大量的军用雷达的退役，这些雷达被用来接收观测来自宇宙的无线信号，射电天文学蓬勃发展，射电望远镜为人类打开了一个观察宇宙的新视觉，我们不再仅限于可见光的宇宙观测。

著名的宇宙微波背景辐射分布图，由“普朗克”太空望远镜观察结果绘制

射电天文望远镜的出现，人类发现了类星体，脉冲星，等一系列重要发现；其中最重要的是“宇宙微波背景辐射”，这个发现有力地支撑了宇宙大爆炸理论。

发现“宇宙微波背景辐射”的两位贝尔实验室工程师因此获得了“诺贝尔”物理学奖。

以上介绍的两种天文望远镜，一种是可见光光学天文望远镜，一种是射电天文望远镜，根据上面的电磁波谱，你一定能想到，我们还有其他的专门用于观测红外光的天文望远镜、X射线天文望远镜、紫外光天文望远镜、伽马射线天文望远镜。

詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)就是一台红外线望远镜 也是人类历史上灵敏度最高的红外线太空天文望远镜。

詹姆斯·韦伯原定于2014年发射，由于其超高的技术难度及项目复杂度，发射日期一再推迟，项目的预算也达到了惊人的100亿美元，好在去年12月份成功发射并部署后，随着JWST传回来的超高清宇宙图片，科学界对于JWST的等待都值得了。通接下来的更多观测任务，JWST还将把人类对宇宙的认识带入一个新的时代：

• 收集宇宙大爆炸参与红外线证据
• 探索宇宙的边界
• 观测宇宙最早期形成的星系
• 观测更多未知星系

哈勃与韦伯拍摄的对比图，不同波段的成像渲染

根据韦伯成像的后期渲染图

最后，期待10月31号我们的“梦天”一飞冲天，补齐“天宫”的最后一块拼图，以及2024年“巡天”如期成功发射！让我们看到来自中国太空望远镜拍摄的深邃星空以及更多的宇宙新发现。