7月20日，英國《新科學(xué)家》雜志網(wǎng)站報(bào)道，美國和丹麥研究人員利用詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡提供的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了可能是迄今已知最古老的星系——GLASS-z13。

現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，該星系距離地球約135億光年，誕生于宇宙大爆炸后3億年。不過研究人員表示，這一結(jié)果仍需進(jìn)一步觀測予以證實(shí)。

此前，已知最古老的星系紀(jì)錄由GN-z11星系保持，距地約134億光年，由哈勃空間望遠(yuǎn)鏡觀測到。

自1609年伽利略仰望星空，到2016年“中國天眼”FAST建成，再到21年20“鴿王”韋伯望遠(yuǎn)鏡順利升空，人類對宇宙的探索已經(jīng)走過了400多年旅程，期間有振奮，有遺憾，庫叔帶你一起回顧。

文 | 謝芳 瞭望智庫觀察員

本文為瞭望智庫綜編。

1608年，荷蘭眼鏡商漢斯·利普赫（Hans Lipperhey）發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡。次年，伽利略·伽利雷（Galileo Galilei）用風(fēng)琴管做鏡筒，兩端分別嵌入一片凸透鏡和凹透鏡，一架放大率為3倍的望遠(yuǎn)鏡誕生。年底，他又把放大倍數(shù)提高到了32倍，用來觀察太空。

伽利略制造的望遠(yuǎn)鏡。

我們對宇宙以及自身在宇宙中所處位置的認(rèn)識(shí)，由此發(fā)生巨變。

在此后的400多年中，無數(shù)科學(xué)巨人獻(xiàn)身其中，望遠(yuǎn)鏡的觀測能力得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

伽利略制作的是折射式望遠(yuǎn)鏡。通過它們，他發(fā)現(xiàn)了月球表面的高低不平，發(fā)現(xiàn)了土星光環(huán)，發(fā)現(xiàn)了太陽黑子等天體現(xiàn)象，開辟了依靠觀測和實(shí)驗(yàn)了解天象、解釋天體運(yùn)動(dòng)的新時(shí)代，也為“日心說”最終取代“地心說”奠定了基礎(chǔ)。

不過，折射式望遠(yuǎn)鏡存在色散（會(huì)讓物體模糊）和相差（會(huì)讓物體變形）的缺點(diǎn)。

1668年，牛頓制成了第一架反射式望遠(yuǎn)鏡，解決了色散問題，從此折射式望遠(yuǎn)鏡和反射式望遠(yuǎn)鏡開始平行發(fā)展。英國天文學(xué)家威廉·赫歇爾（Wilhelm Herschel）就制造過400多架反射式望遠(yuǎn)鏡，在1781年發(fā)現(xiàn)了天王星，并成為第一個(gè)確定銀河系形狀、大小和星數(shù)的人。

1895年，美國的克拉克父子制造出了口徑為102厘米的葉凱士望遠(yuǎn)鏡。由于玻璃透鏡越大越難制作，且重量巨大、中央部分易變形，影響觀測質(zhì)量，葉凱士望遠(yuǎn)鏡并沒有使人類對宇宙有更新的認(rèn)識(shí)，顯示了折射式望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展盡頭，但它至今仍是世上現(xiàn)存最大的折射式望遠(yuǎn)鏡。

【注：2022年6月12日，西藏天文館奠基開工儀式在拉薩舉行，建成后將是世界海拔最高的天文館，屆時(shí)其搭載的一米級(jí)光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡，將成為世界上口徑最大的折射式望遠(yuǎn)鏡?！?/span>

1930年，德國光學(xué)家施密特（Schmidt B.V.）將折射式望遠(yuǎn)鏡和反射式望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，制成了第一臺(tái)折反射式望遠(yuǎn)鏡。此后，該類型的望遠(yuǎn)鏡被稱為“施密特望遠(yuǎn)鏡”。憑借反射式望遠(yuǎn)鏡的高清晰度和折射式望遠(yuǎn)鏡的大視場，施密特望遠(yuǎn)鏡成為“巡天警察”——用來做巡天工作，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，再用其他望遠(yuǎn)鏡做深入觀測。

在此期間，由于工業(yè)技術(shù)發(fā)展，玻璃材料鍍銀或鍍鋁而成的反射鏡，能夠避免金屬鏡生銹問題以及反射率不高的缺陷，反射式望遠(yuǎn)鏡再一次迎來發(fā)展高潮。1948年，5.08米口徑的海耳望遠(yuǎn)鏡在美國帕羅瑪山天文臺(tái)（Palomar Observatory）建成，標(biāo)志著天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展達(dá)到了前所未有的高峰。其世界上最大的反射式望遠(yuǎn)鏡之地位，直到1993年凱克望遠(yuǎn)鏡（位于夏威夷島，口徑達(dá)10米）建成，才被超越。

【注：1976年，蘇聯(lián)曾建成口徑達(dá)6米的BAT-6反射式望遠(yuǎn)鏡，但其運(yùn)行存在缺陷?！?/span>

以上回顧的，還只是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，即通過玻璃鏡片收集“光”來觀測太空，且針對的大部分是可見光。

在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡蓬勃發(fā)展的同時(shí)，宇宙中另一種信號(hào)的發(fā)現(xiàn)，催生了射電望遠(yuǎn)鏡。

1931年，美國新澤西州貝爾實(shí)驗(yàn)室的央斯基（K.G.Jansky）搜索長距離無線電通訊干擾時(shí)，在14.6米的波長上意外發(fā)現(xiàn)有一種每隔23小時(shí)56分04秒就出現(xiàn)最大值的無線電干擾。

經(jīng)過一年多的測量和分析，央斯基在1932年發(fā)表的文章中斷言：這是來自銀河中心方向的射電輻射。射電波研究天體的新紀(jì)元開啟了。

射電望遠(yuǎn)鏡不使用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的玻璃鏡片，而是使用巨大的天線捕捉看不見、摸不著的無線電波，通過分析接收到的射電輻射信息，全面揭示各類天體的位置、圖像、運(yùn)動(dòng)及其隨時(shí)變化的狀況。央斯基當(dāng)時(shí)使用的長30.5米、高3.66米的旋轉(zhuǎn)天線陣，可看做射電望遠(yuǎn)鏡的雛形。

1937年，美國天文學(xué)家雷伯（G.Reber）制造出了世界上第一架拋物面天線式的射電望遠(yuǎn)鏡。二戰(zhàn)期間雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，促使戰(zhàn)后雷達(dá)改裝射電望遠(yuǎn)鏡的浪潮興起。

此后，射電望遠(yuǎn)鏡向著更大更強(qiáng)發(fā)展，口徑不斷變大，從1957年拋物面天線直徑達(dá)76米的英國曼洛弗爾射電望遠(yuǎn)鏡，到1963年球面直徑達(dá)305米的美國阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡，再到2016年球面口徑達(dá)500米的中國FAST，一次次刷新科技和建筑奇跡。

【注：阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡曾經(jīng)是世界上最大的單面口徑射電望遠(yuǎn)鏡，直到2016年被中國的FAST取代，退居第二。年202012月1日，因年久失修等原因，阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)生坍塌，庫叔曾發(fā)文《美國的塌了，中國的可還行？》介紹。】

當(dāng)然，射電望遠(yuǎn)鏡也做出巨大貢獻(xiàn)，僅20世紀(jì)60年代，就直接帶來了類星體、脈沖星、星際分子和宇宙微波背景輻射四大里程碑式天文發(fā)現(xiàn)，由此獲得了五項(xiàng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

當(dāng)大型單口徑射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)展到一定程度后，新型觀測技術(shù)再次誕生。綜合孔徑、射電干涉儀，甚長基線干涉儀等新型射電干涉技術(shù)，讓科研工作者能更有效地從噪音中提取有用的信號(hào)、擴(kuò)大觀測覆蓋范圍、方便成像。

比如，美國甚大陣綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡、荷蘭威斯特博爾克綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡、澳大利亞望遠(yuǎn)鏡致密陣。這些望遠(yuǎn)鏡可利用干涉原理，用幾架望遠(yuǎn)鏡達(dá)成一架口徑為幾架望遠(yuǎn)鏡基線距離長的望遠(yuǎn)鏡的觀測性能。

位于美國新墨西哥州沙漠中的甚大陣綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，由27面口徑為25米的射電天線組成，是世界上最大的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，能夠觀測到160公里以外、一個(gè)發(fā)射無線電信號(hào)的高爾夫球大小的物體。

而多天線射電干涉儀和甚長基線干涉儀的目標(biāo)更為宏大，可使望遠(yuǎn)鏡的口徑達(dá)到地球的尺度。

有了光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、射電望遠(yuǎn)鏡這些地面望遠(yuǎn)鏡，人類為何還要向太空發(fā)射望遠(yuǎn)鏡？

因?yàn)橛写髿鈱哟嬖冢厍驕嘏孢m宜居，各種生物可免遭流星體以及地外輻射襲擊。不過，對于天文觀測來說，大氣層卻成了阻礙。

其中，地面觀測受影響最大的是大氣的消光作用。因大氣的吸收和散射作用，天體的輻射在穿越大氣層后，強(qiáng)度會(huì)被降低。大氣消光量與輻射波長有關(guān)，對短波輻射的消光作用比對長波輻射的大，被稱為選擇消光。

由于大氣消光，只有某些波段的輻射才能穿透，或部分穿透大氣層到達(dá)地面，最終被望遠(yuǎn)鏡捕獲，這些波段所處的范圍稱為大氣窗口。

大氣窗口又包括光學(xué)窗口、紅外窗口和射電窗口。

300至700納米的可見光波段是光學(xué)窗口，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可通過這個(gè)窗口觀測到色彩各異的天體。

紅外窗口的情況較復(fù)雜，大氣對于17至22微米是半透明窗口，而22微米至1毫米之間則完全不透明，不過在高山上可找到后者的一些紅外窗口。

對10兆赫至300京赫的射電波，地球大氣是透明或部分透明的，這就是射電窗口。所以說，射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明，彌補(bǔ)了此前光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的觀測范圍。

而有些波段輻射在到達(dá)地面之前會(huì)被大氣全部吸收掉，地面根本觀測不到，比如紫外、X射線和伽馬射線這些短波段輻射。

此外，大氣還會(huì)產(chǎn)生模糊效應(yīng)，使得再好的大型望遠(yuǎn)鏡的分辨率也難以接近光學(xué)上的衍射極限。如果把同樣的大型望遠(yuǎn)鏡放到處于真空環(huán)境的太空，分辨率可提高10倍。

為了擺脫大氣層對天文觀測的影響，人類一方面設(shè)法選擇海拔高、觀測條件好的地方建立天文臺(tái)，另一方面開始暢想把天文望遠(yuǎn)鏡送上太空。

1923年，德國科學(xué)家赫爾曼·奧伯斯（Hermann Oberth）發(fā)表了一篇文章，其中提到可以用火箭將望遠(yuǎn)鏡送入太空，這是人類最早提出把天文望遠(yuǎn)鏡帶出地球的構(gòu)想。

1946年，美國天體物理學(xué)家萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer）發(fā)表論文《在地球之外的天文觀測優(yōu)勢》，介紹了太空望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)價(jià)值。在斯皮策的不斷努力下，1969年，大型太空望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目被美國國家科學(xué)院批準(zhǔn)，人類真正開始了實(shí)施太空望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃。

不過，研制大型太空望遠(yuǎn)鏡所需要的人力物力，遠(yuǎn)非一國可以包攬。1975年，歐洲空間局帶著資金和技術(shù)加入進(jìn)來。1977年，美國國會(huì)最終批準(zhǔn)了對太空望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的資助。

20世紀(jì)80年代，美國國家航空航天局（NASA）著手制定了一系列空間天文項(xiàng)目，其中包含“大天文臺(tái)”計(jì)劃。該計(jì)劃共計(jì)發(fā)射4臺(tái)在不同波段工作的大型太空望遠(yuǎn)鏡，并分別以4位美國科學(xué)家哈勃、康普頓、錢德拉、斯皮策的名字命名，以紀(jì)念他們的卓越貢獻(xiàn)。

1990年4月，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡被“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)成功送入太空，衛(wèi)星重約11.5噸，望遠(yuǎn)鏡口徑2.4米，造價(jià)21億美元。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。

在30多年的工作中，哈勃望遠(yuǎn)鏡經(jīng)歷了5次宇航員的維修工作，不斷更新尖端科學(xué)儀器，獲得大量極具價(jià)值的發(fā)現(xiàn)。比如，觀測到100多億光年遠(yuǎn)的星系，證實(shí)星系中央存在超大質(zhì)量黑洞，拍攝到星系并合圖像，發(fā)現(xiàn)比太陽亮1000萬倍的恒星等，大大增進(jìn)了人類對宇宙大小和年齡的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)。

21年206月13日，哈勃望遠(yuǎn)鏡因其有效載荷計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障而停止運(yùn)行，直到7月17日才全面恢復(fù)運(yùn)行。

1991年4月，重約16噸、造價(jià)7.6億美元的康普頓伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡被送入繞地軌道，該望遠(yuǎn)鏡把對天體伽馬射線的探測范圍擴(kuò)大了300倍，主要任務(wù)是進(jìn)行伽馬射線波段上的首次巡天觀測。在軌9年，它讓人類首次了解黑洞如何引發(fā)X射線和伽馬射線的噴發(fā)，觀測到銀河系中心出現(xiàn)的反物質(zhì)粒子云，等等。

但是在1999年底，康普頓伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡上的一個(gè)姿控定位陀螺儀發(fā)生故障，且無法及時(shí)修復(fù)。為防止失控后的衛(wèi)星落入人口稠密區(qū)，NASA于2000年9月4日對其實(shí)施人工墜毀。

1999年7月，錢德拉X射線太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)入太空，耗資15億美元。它以更高的精度和靈敏度繪制了全天X射線源圖，并在各類天體的X射線觀測上取得了前所未有的重要成果。

2003年8月，4臺(tái)大型太空望遠(yuǎn)鏡的最后一臺(tái)——斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡成功發(fā)射，造價(jià)8億美元。它采用日心軌道，可在極低溫的條件下工作，徹底避開了來自地球的紅外輻射之干擾，有利于對極年輕天體的探測。此后，它相繼觀測到宇宙大爆炸之后1億年就已形成的第一代恒星，捕捉到太陽系外行星的首幅圖像，拍攝到超新星遺跡和銀河系中心區(qū)的密集星場，等等。年20201月30日，斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡退役。

這4臺(tái)大型太空望遠(yuǎn)鏡被稱為“四大天王”，前所未有地拓展了人類視野，推動(dòng)了多波段天文學(xué)的發(fā)展。

詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目啟動(dòng)于1996年，起初稱為“下一代空間望遠(yuǎn)鏡（Next Generation Space Telescope，NGST）”，2002年改為現(xiàn)名JWST，以紀(jì)念美國國家航空航天局的第二任局長詹姆斯·韋伯（James Webb）在阿波羅計(jì)劃中發(fā)揮的關(guān)鍵性領(lǐng)導(dǎo)作用。

韋伯望遠(yuǎn)鏡。

韋伯望遠(yuǎn)鏡吸收了哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)點(diǎn)，項(xiàng)目初期其預(yù)算只有5億美元，計(jì)劃于2007年發(fā)射升空。但在2005年，設(shè)計(jì)方案有了較大調(diào)整，發(fā)射時(shí)間也被迫延后。此后，韋伯望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射時(shí)間一而再、再而三地延期，從2014年改為2018年，然后又變成2019年，后來又延期到年2020，這也是它被戲稱為“鴿王”的原因。

終于，在北京時(shí)間21年2012月25日20時(shí)20分，這臺(tái)由NASA、ESA（歐洲航天局）和CSA（加拿大航天局）共同研發(fā)，經(jīng)由數(shù)千名科學(xué)家與工程師精心設(shè)計(jì)與建造的大型天文望遠(yuǎn)鏡，在法屬圭亞那庫魯航天發(fā)射中心使用阿里安-5大型運(yùn)載火箭發(fā)射升空，一個(gè)月后順利進(jìn)入圍繞日地系統(tǒng)第二拉格朗日點(diǎn)的運(yùn)行軌道。

回顧25年的建造歷程，韋伯望遠(yuǎn)鏡總造價(jià)為100億美元，是人類有史以來建造的最昂貴科學(xué)平臺(tái)之一，也是迄今為止最大、最復(fù)雜、功能最強(qiáng)勁的太空望遠(yuǎn)鏡。

作為一臺(tái)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，韋伯望遠(yuǎn)鏡的主鏡是一面直徑6.5米、由18片巨大六邊形鏡片構(gòu)成的鍍金鈹質(zhì)反射鏡，總面積達(dá)到25.4平方米，是哈勃望遠(yuǎn)鏡的6倍以上。這也是它的最主要部件。

與主鏡面配合的是一個(gè)巨大的遮陽板，由十分復(fù)雜的復(fù)合材料制成，看上去就像是銀色的塑料薄膜，厚度只有人類頭發(fā)直徑，卻有著很高的強(qiáng)度。遮陽板一共有5層，將其完全展開有一個(gè)網(wǎng)球場那么大，能把來自太陽的熱量減少到原來的百萬分之一，可保證韋伯望遠(yuǎn)鏡始終都處在低溫環(huán)境中。

由于韋伯望遠(yuǎn)鏡的鏡面直徑已超越火箭的最大直徑，在發(fā)射時(shí)，它的18塊六角形的小鏡片和遮陽板都進(jìn)行了折疊，進(jìn)入太空軌道時(shí)，再按照指令一一展開。

除此之外，韋伯望遠(yuǎn)鏡還需攜帶其他多種多樣的制冷設(shè)備，以防止自身產(chǎn)生的熱輻射，從而保障照相機(jī)能在低溫下工作。一般情況下，鏡面溫度要保持在零下220攝氏度左右。

相較于哈勃，韋伯望遠(yuǎn)鏡有更長的波長覆蓋，靈敏度和分辨率也大大提高，更擅長觀測紅外線，能夠補(bǔ)充和擴(kuò)展哈勃望遠(yuǎn)鏡的發(fā)現(xiàn)。不過，與哈勃不同的是，由于距離地球約150萬千米，韋伯望遠(yuǎn)鏡沒有機(jī)會(huì)再進(jìn)行維修。

在韋伯望遠(yuǎn)鏡升空前的年2020底，就已經(jīng)有44個(gè)國家的科學(xué)家提交了1000多份申請，占據(jù)了韋伯望遠(yuǎn)鏡一年工作量的三分之二。不過，這些申請要經(jīng)過嚴(yán)格的審核才能獲批。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間2022年7月11日，NASA提前公布了韋伯望遠(yuǎn)鏡拍攝的首張全彩色照片。

韋伯的第一個(gè)深場是星系團(tuán) SMACS 0723，它充滿了數(shù)千個(gè)星系——包括在紅外線中觀察到的最微弱的物體。圖源：NASA

在這張全彩色照片中，包含了有史以來人們在紅外波段觀察到的最暗天體，以及成千上萬的星系團(tuán)。其中的主角是天文編號(hào)SMACS 0723的星系團(tuán)，距離地球46億光年。這個(gè)星系團(tuán)的總質(zhì)量就像一個(gè)引力透鏡，放大了它后面遠(yuǎn)得多的星系，而這張照片捕捉到的最早星光，距離宇宙大爆炸發(fā)生僅僅過去5億年。

目前，人類所知的宇宙歷史約為138億年，這意味著，韋伯望遠(yuǎn)鏡的第一張照片，幾乎捕捉到了來自宇宙起點(diǎn)的光線。

韋伯望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)行時(shí)間至少為10年，肩負(fù)研究宇宙大爆炸之后第一代恒星、星系的形成與演化、恒星與行星系統(tǒng)的形成以及系外行星等多項(xiàng)任務(wù)。相信在未來，它還會(huì)帶給我們更大驚喜。

根據(jù)規(guī)劃，我國將在2023年發(fā)射與空間站共軌伴飛的“巡天”號(hào)光學(xué)艙。它被譽(yù)為中國版的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。據(jù)相關(guān)報(bào)道，“巡天”號(hào)光學(xué)艙安裝有口徑達(dá)2米的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，分辨率與哈勃相當(dāng)，大約0.15角秒，但視場是哈勃的300多倍，這意味著它的巡天效率更高。不過，其探測的波段主要為可見光。

中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員戴昱表示，中國天文望遠(yuǎn)鏡的探測范圍主要集中在光學(xué)、射電和X射線三個(gè)波段，目前還沒有建造紅外太空望遠(yuǎn)鏡的計(jì)劃。在紅外天文方向，中國在儀器研發(fā)的人才儲(chǔ)備、紅外探測器的精度等方面與國外還有著不小差距。

已故的中國天文學(xué)家、FAST負(fù)責(zé)人南仁東曾說，“人類之所以脫穎而出，從低等的生命演化成現(xiàn)在這樣，出現(xiàn)了文明，就是他有一種對未知探索的精神。”

人類對太空的不舍探索，推動(dòng)了望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的不斷進(jìn)步，而望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展進(jìn)一步拓寬人類的視野，永不止步。

參考資料：