據(jù)報(bào)道，2月24日，“中國天眼”FAST又有兩項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)：捕獲3例新快速射電暴；首次發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星一種計(jì)時(shí)噪聲模式。這一消息再次讓FAST成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。
FAST是我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，也是當(dāng)今世界最大單口徑、靈敏度最高的射電天文望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)距離達(dá)157億光年。
回顧過往，從古代測(cè)量天體位置的渾天儀到能看清行星的望遠(yuǎn)鏡，從在大氣層外遙看深空的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡到利用無線電信號(hào)“聆聽”天體脈動(dòng)的“中國天眼”，人類的目光正逐漸向宇宙更深處延伸。
仰望星空，人類究竟能看多遠(yuǎn)？請(qǐng)看專家解讀。
地球表面看宇宙：大氣屏障，干擾眾多
在科學(xué)家眼里，整個(gè)宇宙是一個(gè)充斥著各種電磁波、引力波和高能粒子等的喧鬧世界，它們記錄著宇宙演化的軌跡。
在人類的發(fā)明創(chuàng)造下，各種觀測(cè)手段得到廣泛運(yùn)用。其中，最為人熟知的就是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明，尤其是伽利略改造出的人類首個(gè)天文望遠(yuǎn)鏡，讓人類看清了地球附近的天體。
這種望遠(yuǎn)鏡，針對(duì)的是人類肉眼最為熟悉的可見光頻段。然而，科學(xué)家們后來意識(shí)到了在地球表面觀測(cè)宇宙中電磁波和高能粒子的難度：地球的濃厚大氣、電離層、臭氧層和地磁場(chǎng)等，聯(lián)合阻擋宇宙中絕大部分高能粒子和電磁波抵達(dá)地表，使望遠(yuǎn)鏡變得“失明”。總體上，僅給可見光和無線電波等留下了觀測(cè)窗口。因此，人類修建的望遠(yuǎn)鏡，基本上集中于光學(xué)類和射電類。前者集中觀測(cè)370～900納米波長(zhǎng)的電磁波，主要為可見光；后者集中觀測(cè)10厘米～4.3米波長(zhǎng)的無線電波。對(duì)于其他頻段電磁波，往往無法有效觀測(cè)。
即便如此，光學(xué)類和射電類望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)也存在諸多不足之處。氣象條件、大氣流動(dòng)造成的“眨眼效應(yīng)”和折射等現(xiàn)象，極大影響了人類最熟悉的可見光頻段觀測(cè)。城鎮(zhèn)化進(jìn)程帶來的光污染等，近些年也成為天文學(xué)家的“煩心事”。
于是，將天文望遠(yuǎn)鏡“搬出大氣層、送入太空”的想法，就被天文學(xué)家們提出來了。1946年，著名天文學(xué)家萊曼·施皮茨在論文中全面論述了太空望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)勢(shì)。
從上世紀(jì)60年代起，美、蘇兩國進(jìn)行了一系列太空望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)。例如，1962～1972年間美國的軌道太陽天文臺(tái)系列任務(wù)，1965～1968年間蘇聯(lián)的質(zhì)子宇宙射線和粒子探測(cè)系列衛(wèi)星，1973～1979年美國的天空實(shí)驗(yàn)室空間站攜帶阿波羅太空望遠(yuǎn)鏡……它們共同驗(yàn)證了太空望遠(yuǎn)鏡在太陽系乃至更廣袤宇宙觀測(cè)方面的巨大潛力，為人類開啟太空望遠(yuǎn)鏡時(shí)代奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
太空望遠(yuǎn)鏡：航天與天文學(xué)結(jié)合的極致
早期的太空望遠(yuǎn)鏡，主要為解決地球上最難以實(shí)現(xiàn)的高頻電磁波和高能粒子觀測(cè)問題，尤其是伽馬射線、X射線和紫外線3大類。
高頻電磁波和高能粒子往往代表著宇宙中最為“火爆”的天文現(xiàn)象。例如，伽馬射線暴反映出了大質(zhì)量恒星塌縮為黑洞、中子星合并和超新星爆發(fā)等。事實(shí)證明，以康普頓、雨燕、錢德拉、費(fèi)米等為代表的太空望遠(yuǎn)鏡，推動(dòng)了相關(guān)天文學(xué)的發(fā)展。其中，我國近期發(fā)射的首顆暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”、首顆硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星“慧眼”，均為相應(yīng)領(lǐng)域做出了貢獻(xiàn)。
在可見光觀測(cè)方面，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡堪稱太空望遠(yuǎn)鏡“家族”中的“明星”。它自1990年升空后，已服役30余年，極大改變了人類天文學(xué)的發(fā)展進(jìn)程，數(shù)以萬計(jì)的經(jīng)典圖片吸引了廣大天文愛好者。它的成功，是人類航天技術(shù)與太空望遠(yuǎn)鏡技術(shù)結(jié)合的一個(gè)范例。
哈勃太空望遠(yuǎn)鏡最初被設(shè)計(jì)成一個(gè)主鏡片直徑2.4米，擁有廣域和行星照相機(jī)、高解析度攝譜儀、高速光度計(jì)、暗天體照相機(jī)和暗天體攝譜儀等核心儀器的龐然大物。然而，它升空后科學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)，組裝上去的巨大主鏡片出了問題，鏡片邊緣多出2.2微米。這僅是鏡片直徑的百萬分之一，但對(duì)于需要觀測(cè)動(dòng)輒數(shù)億光年外天體的哈勃而言，則完全無法接受。最后的選擇是，利用航天飛機(jī)在太空中直接維修，給“近視眼”的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡帶上“一副眼鏡”（太空望遠(yuǎn)鏡光軸補(bǔ)償矯正系統(tǒng)）。隨后，利用航天飛機(jī)多次維護(hù)和更新哈勃，幾乎在太空中重造了它，才使得它工作至今。
可見光和紅外線及微波觀測(cè)：洞察人類的未來
可見光觀測(cè)，也是人類探索遙遠(yuǎn)地外生命存在可能性，尤其是系外行星的重要研究方式。
其中，典型代表是開普勒太空望遠(yuǎn)鏡。它主要基于凌星法（即行星擋在恒星前面而導(dǎo)致恒星亮度稍微降低時(shí)）開展研究。如果觀測(cè)到連續(xù)3次凌星，就可確定星體是顆凌星行星，從而得到星體的軌道周期、大致大小等信息。開普勒太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了近3000顆系外行星，占人類所有發(fā)現(xiàn)的70%以上。
紅外線及微波觀測(cè)，也成為近些年太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)展的熱門。大家耳熟能詳?shù)挠钪嫖⒉ū尘拜椛浜图t外線背景輻射研究，離不開斯皮茨、赫歇爾、威爾金森和普朗克等著名太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)。
這個(gè)領(lǐng)域即將誕生人類歷史上最貴的太空望遠(yuǎn)鏡——詹姆斯·韋伯，它主要集中于觀測(cè)波長(zhǎng)為0.6～28.3微米的紅外線頻段。目前，它的預(yù)算已逼近100億美元，主要因?yàn)樗\(yùn)用了一系列人類目前太空望遠(yuǎn)鏡和航天領(lǐng)域的極致技術(shù)。
詹姆斯·韋伯的鏡面設(shè)計(jì)要求是6.5米口徑。這個(gè)大小超過了火箭發(fā)射的尺寸限制，選擇方案是加工成18面一模一樣的六邊形，折疊起來再展開。鏡片必須由抗彎剛度強(qiáng)、熱穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率高、密度低的堿土金屬鈹制作而成，要求拋光精度達(dá)到10納米級(jí)，相當(dāng)于幾十個(gè)鈹原子擺在一起的寬度。
它還需要攜帶一把5層“太陽傘”隔絕熱量，每層完全展開時(shí)占用面積300平方米左右，但厚度僅25微米或50微米，甚至小于人頭發(fā)絲的直徑。鏡子和遮陽板都需先疊在一起塞進(jìn)火箭，送到距離地球150萬千米外的日地拉格朗日L2點(diǎn)，按要求展開。
如果計(jì)劃成功，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將極大提升人類對(duì)宇宙的認(rèn)知。
地球是人類的搖籃。它的質(zhì)量約為太陽的33萬分之一，距離太陽約1.5億千米，光線約8分鐘即可抵達(dá)。人類目前已觀測(cè)到的宇宙半徑達(dá)465億光年，這是光線在465億年內(nèi)跨過的旅程。
正如航天先驅(qū)齊奧爾科夫斯基對(duì)地球搖籃的下一句評(píng)論一樣，“人類不可能永遠(yuǎn)生活在搖籃里”，我們視線必將延伸至宇宙的更深處。
上圖：宇宙膨脹概念示意圖。
下圖：夜色下的“中國天眼”。