盘点世界八大观测宇宙神器
本文來自微信公眾號：地球知識局 （ID：diqiuzhishiju）
航天之父康斯坦丁?齊奧爾科夫斯基說過：“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠被束縛在搖籃里。”
人類在地球上已經生活了 600 萬年，我們的搖籃也一點點擴大，從一個聚落、一片大陸到整個星球。但和浩瀚的星辰大海相比，又如此的渺小。
從遠在拉格朗日點的詹姆斯 · 韋伯望遠鏡，到藏在貴州深山里的中國天眼。為了準確、全面地觀測宇宙，人類一直在不斷改進望遠鏡。
本文將簡要盤點一下目前仍在運行的宇宙觀測神器。
哈勃天文望遠鏡 (Hubble Space Telescope，HST)
哈勃天文望遠鏡于 1990 年 4 月 24 日發射升空，并運行至今。其軌道位置為低地球軌道，目前位于地表上方 535 公里處。
哈勃鎖定目標非常準，相當于能把激光準確照射在 320 公里外的硬幣上。哈勃可全天區范圍觀測，可觀測波段為可見光波段和紫外波段。
以“星系天文學之父”埃德溫?哈勃為名
（圖：wikipedia）▼
哈勃主要的科學發現和科研產出有：
1.測量了宇宙中不同天體的距離，對于建立宇宙距離尺度非常重要；
2.觀測到了宇宙的膨脹速度正在加速，為研究暗能量的存在和性質提供了證據；
3.觀測到了遠古星系的形成和演化過程，為研究宇宙早期提供了寶貴數據；
4.通過觀測星系和星團的引力透鏡效應，發現了暗物質的存在；
5.觀測到許多星系中心存在超大質量黑洞；
6.觀測了宇宙背景輻射；
7.發現了柯伊伯帶中的天體和觀測了外太陽系行星和其衛星；
8.觀測到許多系外行星，發現了一些類地行星。
9.通過觀測星云和年輕恒星，深入了解了恒星的形成過程。
迄今為止，哈勃望遠鏡已經進行了超過 150 萬次觀測，總存檔數據超過 340TB，天文學家使用哈勃數據發表了 19000 多篇科學論文。
多年來，哈勃望遠鏡拍攝的佳作不少
比如，這張 2014 年版“創生之柱” ▼
再比如，Westerlund 2，絢爛如煙火 ▼
詹姆斯?韋伯空間望遠鏡 (James Webb Space Telescope, JWST)
韋伯空間望遠鏡原計劃于 2007 年發射，但一直推遲到 2021 年 12 月 25 日。它是 NASA、歐洲太空總署 (ESA) 和加拿大航天局 (CSA) 的合作項目。
韋伯空間望遠鏡，長這樣（底圖：wiki）▼
其軌道位置為日地系統的拉格朗日 L2 點，距離地球至少 150 萬公里，L2 點可以保持背向太陽和地球的方位，易于校準和保護，而且在遠離太陽的一側，所以有利于紅外觀測。
韋伯的特長在紅外觀測，它能夠看到更多，更老的恒星和星系。但 L2 軌道是不穩定的，需要動力維持望遠鏡姿態和位置，目前韋伯攜帶的推進劑足夠使用 10 年，所以它的任務目標時間就是 10 年。
測試中的韋伯主鏡，科幻感爆棚（圖：wiki）▼
韋伯的主要科學目標是：
1.主要的任務是觀測今天可見與宇宙的初期狀態；
2.尋找宇宙大爆炸后形成的第一批恒星和星系的光；
3.研究星系的形成和演化；
4.研究恒星形成，行星系統的演化過程和生命的起源。
韋伯空間望遠鏡的發現包括但不限于首次直接拍攝系外行星、發現有史以來最遙遠的星系、詳細觀測了系外行星的大氣層和星系碰撞時的恒星形成等，其中還包括前不久拍攝到的一個問號形物體，引起了人們的極大關注。
韋伯望遠鏡拍攝的船底座星云部分圖像
（橫屏，圖：NASA's JWST）▼
韋伯望遠鏡 2022 年拍攝的南環星云
猶如一塊嵌在黑色絲絨上的藍寶石
（圖：NASA's JWST）▼
蓋亞任務 (Gaia)
蓋亞任務是歐洲太空總署的太空望遠鏡，致力于繪制一張精確的銀河系三維星圖。該任務于 2013 年 12 月 19 日發射升空，運行至今，正在觀測銀河系內外近 20 億個星體。其軌道位于日地系統的拉格朗日 L2 點。
Gaia 任務包含兩個望遠鏡，它們以固定的廣角進行觀測，對觀測范圍內的每個天體平均觀測 70 次，時長持續 5 年。觀測波段為可見光。
工作中的蓋亞，想象圖（圖：wiki）▼
Gaia 的主要科學產出有：
1.測量我們太陽系的加速度；
2.改進近地小行星的軌道；
3.改進恒星掩星陰影軌道預測；
4.發現了更多的稀有恒星、超高速恒星、新小行星和系外行星，揭示了太空中的氣態結構；
5.揭示銀河系在早期 (大約在 100 億年前) 可能與另一個大星系并合后形成；
6.推測銀河系“厚盤”部分在 130 億年前開始形成，距離大爆炸僅 8 億年；
7.白矮星隨著內部的冷卻，會變成固體球體。
在 Gaia 觀測到的天體中，超過 99.9% 的天體從未被精確測量過距離。預計蓋亞任務結束時，存檔數據將超過 1PB。
使用蓋亞第三階段資料繪制的四張圖
（圖：ESA / Gaia / DPAC）▼
“悟空”暗物質粒子探測衛星 (Dark Matter Particle Explorer, DAMPE)
暗物質粒子探測衛星是我國第一個空間天文探測器，命名為“悟空”。由中科院紫金山天文臺主導，于 2015 年 12 月 17 日發射。
悟空號的軌道類型為太陽同步軌道，軌道高度約為 500 公里。原計劃運行壽命為 3 年，但自從 2015 年發射后，至今仍在服役，而且工作狀態良好。悟空號共計搭載了四種不同的有效載荷，結構如下圖。
悟空號衛星的科學載荷結構示意圖
（底圖：紫金山天文臺）▼
其主要科學目標是暗物質間接探測，次要目標是尋找宇宙射線的起源和伽馬射線天體物理研究，主要科學產出有：
1.2017 年，首次在 1.5TeV 處觀測到了明顯超出的峰值；
2.給出了從 40 GeV 到 100 GeV 能段的宇宙線質子精確能譜測量結果，發布了 25 GeV 和 4.6 TeV 之間正電子光譜的精確測量結果；
3.“悟空”號衛星 530 天的運行共計記錄到 28 億個宇宙線粒子, 科學家從中篩選出了約 150 萬個高能量的電子，測量出了這些電子的能譜分布。揭示出電子能譜存在的一處拐折和一處可能的尖峰結構；
4.記錄到明顯增強的伽馬射線爆發現象，這一爆發在 12 月 16 日達到了峰值；
5.測量得到的兩個最亮脈沖星的伽馬周期在 1GeV-100GeV 的能量范圍；
6.揭示了電子和正電子的通量出人意料的形狀。
悟空號在暗物質間接探測方面，具有較強的國際競爭力。
寬視場紅外巡天探測衛星 (Wide-field Infrared Survey Explorer, WISE)
WISE 是 NASA 在 2009 年發射的空間紅外望遠鏡，運行期間共對約 158000 顆小行星進行了觀測，其中包括約 34000 顆新發現的小行星。
該望遠鏡的四個工作波長分別為 3.4，4.6，12 和 22 微米，分別記為 W1，W2，W3 和 W4。到 2011 年 2 月，固態氫全部耗盡，望遠鏡進入休眠狀態。
2010 年，WISE 拍攝的 C / 2007 Q3
（圖：wikipedia）▼
WISE 拍攝的圖像（圖：NASA）▼
2013 年 8 月，WISE 被喚醒，繼續使用 W1 和 W2 波段進行巡天觀測，并更名為 NEOWISE，用于探測近地小天體。
截止 2022 年 4 月，NEOWISE 共對 40700 個太陽系天體進行了超過 120 萬次紅外測量，包括 1380 顆近地小行星和 246 顆彗星，其中發現了 347 顆潛在危險小行星和 34 顆彗星。
NEOWISE 位于太陽同步軌道，距離地表 525 公里，主要任務包括：
1.搜索近地小行星，為地球撞擊威脅評估提供數據；2.觀測彗星；3.研究小行星族群；4.測量小行星的大小分布和反照率。
C / 2020 F3，于 2020 年被 NEOWISE 發現
（圖：wikipedia）▼
凌日系外行星巡天衛星（Transiting Exoplanet Survey Satellite, TESS）
系外行星凌星巡天衛星是一顆由 NASA 開發，專門用于探測系外行星的望遠鏡，又被稱為“苔絲”。
TESS 的軌道位于高地球軌道，為高橢圓軌道，其偏心率為 0.55，近地點和遠地點的距離分別約為 10.8 萬公里和 37.3 萬公里。該軌道可以獲得天空南北半球的無遮圖像。
TESS 于 2018 年 4 月 18 日發射升空，預設的主要任務為 2 年，至今仍在運行。截止 2023 年 8 月，TESS 發現了 373 顆已確認的系外行星。
TESS，啟程（圖：wiki）▼
中國巡天空間望遠鏡 (China Space Station Telescope, CSST)
CSST 將是中國第一個光學空間巡天望遠鏡，它于 2013 年 11 月立項，預計在 2024 年發射，將在 400 公里高的軌道上運行。這意味著 CSST 具備在軌維護升級的能力。
CSST 兼具大視場和高像質的優異性能，是哈勃視場的 300 倍。CSST 的計劃運行期為 10 年，將對 17500 平方度的天區進行多波段成像和無縫光譜觀測，并對遴選的天體或天區開展精細觀測研究，以獲取數十億恒星與星系的測光數據和數億條光譜，并通過直接成像搜尋和研究太陽系外行星。
中國巡天空間望遠鏡概念圖
（圖：bao.ac.cn/ csst/）▼
CSST 的主要科學目標有：
1.對宇宙加速膨脹、暗能量、暗物質、星系成團性和宇宙大尺度結構的研究；
2.星系和活動星系核，包括高紅移星系和超大質量黑洞；
3.恒星活動、形成和演化；
4.系外行星、原行星盤和太陽系天體觀測研究；
5.暫現源 / 變源和重要天文事件響應，例如引力波搜尋、高紅移伽馬射線暴和快速射電暴等。
“中國天眼”500 米口徑球面射電望遠鏡 (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST)
“中國天眼”是目前世界上第一大的球面射電望遠鏡。項目早在 1994 年就被提出并開始進行預研工作。到 2020 年 1 月 11 日通過驗收，正式開始運行。
因為天體目標在運動，所以中國天眼在跟蹤觀測時，拋物面要一直不停地跟蹤變化。于是，反射面不斷變形，懸掛在鋼索上饋源也要進行相應的運動。
為了支持這一功能，中國科學家將 4450 塊三角形主動反射面安裝在球形的大網兜內表層，大網兜的 2225 個節點形成了 4450 個三角形區域，每個節點上有斜拉的鋼索，連接到地面，鋼索下面有液壓促動器往下拽鋼索，每一個節點都可以雙向運動。通過聯合控制，精確調節每個節點的運動距離，就可以使得球面變形成拋物面，實現變形。
其科學目標有：
1.大規模中性氫的巡天調查，繪制宇宙早期圖像；
2.建立脈沖星計時陣，參與未來脈沖星自主導航和引力波探測；
3.主導國際甚長基線干涉測量網，探測天體的超精細結構；
4.檢測星際通信訊號，參與地外文明搜索。
上述神器是當前最為引人矚目的天文觀測設備，為天文學家們帶來了豐富的科學產出。中國在某些方面處于國際前沿地位，例如在暗物質探測和射電望遠鏡領域取得了顯著進展。而在光和熱紅外波段，與國際先進水平仍存在較大差距。
隨著天文學的發展，未來將需要更大口徑的空間望遠鏡來捕捉更多微弱天體的光線。目前已經出現了一些針對未來空間望遠鏡的設計概念，例如大口徑先進技術空間望遠鏡和單孔徑遠紅外天文觀測望遠鏡。這些觀測神器將極大地提高人類對宇宙的認知。
參考資料：
1.https://idea.cas.cn/viewdoc.action?docid=56176；
2.https://fast.bao.ac.cn/；
3.https://zh.wikipedia.org；
4.https://exoplanets.nasa.gov/tess/
5.https://www.cas.cn/zt/kjzt/awzlztcwxgc/awztcwxzxjz/201512/t20151217_4498617.shtml；
6.https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/main/index.htm；
7.https://www.jwst.nasa.gov/；
8.https://solarsystem.nasa.gov/missions/gaia/in-depth/；
9.http://pmo.cas.cn/dampe/
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總結
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