天文望远镜：追逐星辰大海的眼睛

“中国天眼”全景。新华社图片

郭守敬望远镜(左)全景。新华社图片坡

　　3月2日，新华社播发消息，我国中科院紫金山天文台近地天体望远镜观测发现了一颗新彗星C/2023 A3(Tsuchinshan-ATLAS)。这也是中科院紫金山天文台发现的第8颗彗星。

　　从使用望远镜由地面看向天空，到把望远镜送上太空……从诞生那一刻起，人类倾其所能地想把头顶这片神秘莫测的宇宙看得更清楚。

　　康德说：“有两样东西，人们越是经常持久地对之凝神思索，它们就越是使内心充满常新而日增的惊奇和敬畏：我头上的星空和我心中的道德律。”天文望远镜的问世，让人类读懂了天体的基本运动规律，由此催生的牛顿经典力学打开了自然科学的大门，开启了利用自然规律改造世界的伟大实践。从古老文明走到现代文明，我们的生活开始日新月异。

　　然而，关于天文望远镜的故事，还要从两枚玻璃镜片和一个人开始说起。

　　目之所及——

　　天文望远镜的开端

　　只需要两片合适的透明镜片和一根管子，就可以较为清晰地看清楚远处的物体。发现并利用这一现象制造出世界上第一台望远镜的人究竟是谁?这一问题至今仍颇具争议，但答案似乎已不再重要，重要的是怎样利用和改进望远镜，将其用在哪里、指向何处。

　　1609年，伽利略听到了荷兰商人申请望远镜专利的消息。于是，他利用风琴管和一枚凹透镜、一枚凸透镜，成功制成了一架放大率为3倍的望远镜。而后，他又把望远镜的放大倍数提高到32倍，指向天空。

　　伽利略没有让望远镜仅仅成为贵族的玩物或是战争的手段，而是为人类认识世界、认识宇宙提供了无限可能。他或许不会想到自己将开启一个怎样的时代，也不会想到这竟会给自己带来牢狱之灾。

　　伽利略用望远镜观看了月亮，他发现原来亚里士多德口中那轮皎洁如玉、银盘似的完美月亮，竟然如此“丑陋不堪”，上面满是高低起伏的山和坑坑洼洼的地;他把望远镜转向木星，发现有4颗小星在环绕木星旋转;他又把望远镜对准太阳、金星、银河，得到了太阳黑子、金星的盈亏现象、银河系由无数恒星组成等一系列认识，推翻了当时人类许多根深蒂固的错误认知……他将这些发现都详细记录在后来出版的《星际信使》一书中，逐渐打破了当时统治者所信奉的地心说，为哥白尼提出的日心说提供了有力证明。

　　然而，伽利略的望远镜并不完美。起码在今天看来，它还无法使人眼识别出更遥远宇宙的暗弱天体。但这足以让人们掌握看向宇宙的基本方法，也激发了人们试图进一步延长视界的强大动力。之后，科学家不断对望远镜进行研制和改进，先后诞生了折射式、反射式、折反射式等不同结构的光学望远镜，人类对宇宙的认识也越来越清晰和丰富。

　　光的召唤——

　　光学望远镜的革新

　　通常来说，望远镜的口径越大，收集光的能力也就越强。从伽利略发明天文望远镜后的数百年间，人类倾尽所能制造更大口径光学天文望远镜，以增强观测暗弱天体的能力。

　　然而，望远镜主镜面越大，镜面受到重力的影响也越明显。这就必须消耗大量资金打造用来支撑镜面的巨型结构，从而使得整台望远镜越来越沉重。1976年，欧洲南方天文台所属的3.6米口径望远镜，厚度达0.5米，重量却足足有11吨。

　　一名工程师提出了一个巧妙的方案：使用轻薄且可以变形的主镜面，用一个动态支撑系统进行控制。这个动态支撑系统可以随着望远镜朝向方向的变化，产生相应的力来校正重力引发的变形。配合上计算机和精密技术控制望远镜的角度和运动，镜片因自身重力和温度变化对观测造成的影响便可克服。这就是对天文学产生巨大影响的主动光学技术。

　　主动光学技术在欧洲南方天文台进行了测试。采用了主动光学系统打造出的新望远镜NTT，主镜面只有24厘米厚，重量6吨，口径却达到了3.58米。

　　随着科学家对望远镜口径需求越来越大，制造出一个更大的单口径天文望远镜的能力遇到了前所未有的瓶颈。科学家们想到了一个替代的办法，就是把多个镜片有效拼接，组成一个更大的镜片。坐落于我国河北兴隆的郭守敬望远镜(LAMOST)是这一技术的典型代表之一，从光学角度说，这是我国自主研制的“视力最好”的望远镜。

　　LAMOST由37块六角形子镜拼接成一个球面主镜，由24块六角形子镜拼接成一个反射施密特改正镜。其主镜在主动光学系统的支持下，可在观测时对每一个分镜片进行实时调整，从而让观测效果始终保持较高水平。

　　1月19日，我国科学家利用LAMOST的超大光谱数据样本发现，恒星初始质量分布规律会随恒星金属元素含量和年龄的变化而发生显著变化。研究中，研究团队发挥LAMOST大样本光谱数据优势，结合欧洲空间局“盖亚”卫星的观测数据，首次从观测角度直接获取了几乎不依赖于任何模型的恒星初始质量函数，并清晰观测到恒星初始质量分布规律随恒星金属元素含量和年龄的变化而发生了显著变化。研究人员介绍说，这一发现直接导致恒星初始质量分布规律普适不变的基本假设不再成立，将对天体物理学多个领域的研究产生影响。

　　一览无余——

　　射电望远镜的探索

　　2019年4月10日晚上9点，包括中国上海在内的全球多地天文学家同步公布了人类历史上第一张黑洞照片。人类首次“看见”的这个黑洞，位于室女座一个巨椭圆星系M87中心，距离地球5500万光年，质量是太阳的65亿倍。这是人类获得关于黑洞的第一个直接视觉证据，有望证实爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。

　　人类能“捕获”黑洞影像，得益于一个口径等效于地球直径的虚拟望远镜——事件视界望远镜。科学家们利用一项名为甚长基线干涉测量的技术，将分布在全球多地的8台射电望远镜以阵列的形式，联网组成了事件视界望远镜，顺利实现在1.3毫米波长的观测。事件视界望远镜看得格外清晰，清晰到角分辨率只有20个微角秒。中国科学院上海天文台的一位副研究员在授课中曾这样生动形容：这相当于一个人在黑龙江漠河就能看到南沙群岛上一张报纸的文字。

　　组成事件视界望远镜的射电望远镜，发展历史不到百年，却已成为天文学领域的“观天利器”。射电天文的发展，让人类的探测不再限于可见光波段。20世纪60年代天文学的“四大发现”——脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子，都与射电望远镜有关。

　　坐落于贵州省平塘县的“中国天眼”FAST，是射电望远镜的突出代表之一。它的建成也标志着我国在射电天文前沿领域取得重大原创突破。截至今年2月14日，FAST的500米口径球面射电望远镜已发现740余颗新脉冲星。此前，FAST已发布多个重要成果，包括观测到快速射电暴的起源证据、发现首例持续活跃重复快速射电暴、探测到快速射电暴密近环境的动态演化、发现迄今宇宙最大原子气体结构等，大大拓展了人类有效探索的宇宙空间范围。

　　据悉，我国参与创建的国际大科学工程——平方公里阵列射电望远镜(SKA)已经启动建设。预计2028年，SKA将完成第一阶段建设并投入观测。SKA将是人类有史以来建造的最大射电望远镜。科学家们相信，这部超越国界的全球大科学装置，将推动全球制造、通信、计算、能源等一系列产业的迅速发展。

　　不畏浮云——

　　空间望远镜的突破

　　1972年12月7日，在前往月球的路上，阿波罗17号宇航员用哈苏胶片相机给人类赖以生存的地球拍摄了一张照片，并命名为“蓝色玛瑙”。这张照片清晰拍到了地球发亮一面，改变了我们想象地球的方式。而人类之所以能将地球拍摄得如此清晰，一个重要条件就是照相机在距离地球45000公里的位置。

　　为避免人类活动和大气层对观测效果的多重影响，从20世纪开始，天文学家们提出了把望远镜送上太空的想法。1990年，成功发射升空的哈勃太空望远镜实现了天文学家们的愿望，人类终于可以与宇宙中的繁星更加贴近。

　　2019年，詹姆斯·韦布望远镜升空。韦布具备更高的灵敏度、更宽的波长覆盖和更高的运行轨道，是有史以来口径最大、性能最强大的太空望远镜。2022年7月，韦布太空望远镜正式发布了运行以来的首批全彩图像和光谱数据，其中包含了首张全彩深场照片，它将迄今为止最遥远、最清晰的红外宇宙图景展现在我们面前。

　　值得期待的是，预计2024年，一个重达十几吨的巡天空间望远镜将与中国空间站共轨航行。据专家介绍，中国空间站巡天空间望远镜的视场，要比哈勃望远镜大300倍，上面搭配有星敏仪，可以对(太阳)系外行星直接成像，这对(太阳)系外行星的科学研究有很大作用。未来，巡天空间望远镜将成为旗舰级空间天文设施，有望促进中国光学天文的飞跃式发展，并为人类带来对宇宙的革命性认知。

　　从最初的那两枚玻璃镜片开始，到突破人类视觉局限，再到探测宇宙传来的微弱电磁波，最后到把望远镜送进太空……天文望远镜在各国科学家大胆的想象和不懈的求索中，上天入地无所不在。它是人类追逐星辰大海的眼睛，执着地望向宇宙更深处，回答着那个“最高端又最朴素”的问题——我们从何而来，又将归向何处。