一窺天機：太空望遠鏡_風聞

與2021年12月，原定於2007年發射的韋伯空間望遠鏡終於順利升空，這是人類航天事業的大事情，無論誰幹的，都值得祝賀。

不過，這年頭天天都有大事發生，韋伯望遠鏡究竟算多大一事兒？

窺見宇宙

人類對宇宙的瞭解處於什麼水平？這是個讓人懵逼的問題，一方面，連太陽系九大行星都找不齊，向天王星、海王星發射軌道探測器都是沒影兒的事，另一方面，對幾十光年外的類地行星（類似地球的行星）卻頭頭是道，超級地球、孿生地球、宜居行星的新聞不時見諸報端，到底哪個才是人類科技的真正水平？

要説清這個話題，得從人類探索宇宙的手段説起。

如果咱們能把探測器扔到別的星球上，那探測手段還是比較豐富的，次表層探測雷達、X射線譜儀、磁場探測儀，等等。可惜目前為止，人類探測器遠沒有飛出太陽系，出了土星軌道就算真正意義上的“人跡罕至”了。

所以，大前提就擺在這了：人類只能在太陽系裏研究宇宙，更準確點説，人類主要在地球附近研究宇宙。

怎麼研究呢？

只能被動接收來自宇宙的信息。

哪些信息呢？

電磁波、宇宙射線、引力波，其中大頭是電磁波(包括可見光)。可以説，人類對宇宙的大部分認知，都是通過在地球上收集的各種各樣電磁波，推算出來的。

沒錯，宇宙是算出來的。比如，觀察一個恆星的顏色，或者説，在地球上收集這顆恆星發出的可見光，就可以算出它的表面温度，再加上恆星亮度，就可以算出它的年齡，再添一些參數，就可以算出它的距離。

還有更離奇的，開普勒空間望遠鏡，這哥們兒專門用來尋找類地行星。原理很簡單，盯着一顆恆星看，如果這顆恆星的亮度會週期性變弱，那就説明有一顆行星定期從恆星前面飛過，阻擋了少量光線，就像蒼蠅飛過探照燈，此曰：凌日現象。

據此可算出行星的公轉週期、軌道、大小，甚至還可以通過光譜變化的特徵，分析出行星大氣的成分，比如蒼蠅是火紅色的，那麼探測燈被遮擋時，多少能探測到一點紅光。

如果這些算出來的參數和地球類似，就稱為類地行星。所謂的類地行星，充其量就是見了個影子，至於上面是啥樣，有沒有生命，科學家知道的不會比算命先生好多少。

這麼幹靠譜嗎？當然不算很靠譜，但也沒有更好的辦法了，人類感知宇宙的手段就這麼多。不過，也不算很不靠譜，把這些手段做到極致，也能幹出不少活。

宇宙博物館

到了宇宙尺度，時間和空間其實是一回事。

如果你想了解4.2年前的宇宙，那就研究4.2光年外的比鄰星，因為我們現在接收到的所有關於比鄰星的信息，都是4.2年前發出的。同理，想了解1億年前的宇宙，那就觀察1億光年外的恆星，對地球人來説，宇宙活脱脱就是一個博物館，不同距離上的恆星，代表了不同時期的宇宙演化過程。望遠鏡看得越遠，就意味着看得越古老，遠到極致，就能看到宇宙初期的樣子。

這裏所謂的“看”，就是收集這些恆星發出的各種電磁波信號。長波信號可以穿透大氣層，因此只需把天線放在地表即可，學名“射電望遠鏡”。短波信號容易被大氣層干擾吸收，如紅外線、可見光、X射線等，所以得把傢伙什兒放到太空，學名“空間望遠鏡”。

其中可見光部分最為直觀，也最為吃瓜羣眾津津樂道，畢竟這是咱們肉眼能看到的。這活幹得最出色的，當屬大名鼎鼎的哈勃空間望遠鏡。

哈勃與智利特產

因為大氣層對光線的擾動，地面望遠鏡看太空就像個近視眼，一度導致人類的觀測範圍只有幾十億光年。1990年哈勃望遠鏡升空，就像人類伸出水面的一個潛望鏡，終於可以一窺宇宙全貌。

現在很多耳熟能詳的知識：宇宙年齡、宇宙大爆炸、宇宙大小，都有哈勃的功勞。這隻以收集可見光為主的望遠鏡，極大拓展了人類視野，堪稱天文學的里程碑。

哈勃不但有巨大的科研價值，其社會價值也不容小覷，拍攝的大量美輪美奐的深空照片，激發了無數普通人對宇宙的嚮往和思考，可謂功在千秋。

2019年哈勃望遠鏡公佈了迄今為止最詳細的宇宙照片，這張照片包含了26.5萬個星系，每個亮點放大都可以看到星系全貌（原圖可至官網下載，賊大）。

不過，因為繼任者遲遲不到位，哈勃不斷超期服役，已經在天上待了30多年，難免力不從心。尤其最近幾年，面臨和國際空間站一樣的窘境，扔了吧，可惜，不扔吧，修修補補，維護費早趕上造價了。要知道，在天上幹活，費用也是上了天的，一次維修的費用都足夠在地面建一個大型望遠鏡了。

繼續燒錢給老態龍鍾的哈勃續命是不現實的，哈勃退役幾乎板上釘釘，這也意味着人類即將失去唯一的可見光空間望遠鏡。

那以後的日子是不是又得回到近視眼時代吶？

不用，因為自適應光學技術的出現。簡單來説，這技術可以修正大氣湍流等因素對光線的擾動，思路異常簡單粗暴，你在哈哈鏡裏看到了扭曲的圖像，那就再拿一個反向哈哈鏡把圖像還原。大氣層就是一面哈哈鏡，如何得到一個反向哈哈鏡呢？

舉個例子，首先打一束激光到天上，使大氣裏的鈉元素髮光，這個光線穿過大氣層回到地面時，也會被擾動，把這個擾動量算出來，相當於測量出了哈哈鏡的凹凸規則，以此調整望遠鏡的鏡面形狀，得到一個反向哈哈鏡。因為擾動是不規則的，所以反向哈哈鏡是一面凹凸不平的柔性鏡面，又因為空氣温度、濕度和氣流實時變化，導致哈哈鏡實時變化，所以柔性鏡面也要跟着實時變化，甚至每秒得調整上千次的鏡面形狀。

不知道本僧有沒有把事兒説明白，反正，這個過程令人歎為觀止，你跟着嘆就是了。

歐洲南方天文台位於智利的望遠鏡安裝自適應光學系統後，拍攝的照片清晰度已經超過了哈勃。

既然如此，那就沒必要非得把可見光望遠鏡放太空了。在地面幹活，不但價格實惠，而且完全不用考慮重量和體積，鏡頭可以使勁造，日子美滋滋的。

早些年，口徑8.1米的雙子星天文台也算得上一號人物，兩台望遠鏡分別位於夏威夷和智利，一南一北，加上地球自轉，觀察範圍可以覆蓋整個天區。但是很快，8米的門檻就被踏濫了，歐洲南方天文台在智利建造的甚大望遠鏡，由4台口徑8.2米的望遠鏡組成，聚光能力相當於16米口徑。日本國家天文台的昴星團望遠鏡把單面反射鏡口徑幹到了8.3米。這還沒完，即將投入運行的位於智利的美國大麥哲倫望遠鏡，由7塊直徑8.4米的子鏡組成，等效口徑大約有25米，成像清晰度達到哈勃的10倍。

單個鏡子的口徑到了8.4米已經差不多了，接下來就是更兇殘的玩法：用一堆小鏡子拼成大鏡子。

由加拿大美國主導，包括中國在內多個國家參與的，位於夏威夷的，不斷被環保組織阻撓建設的30米望遠鏡，主鏡口徑30米，清晰度吊打哈勃一個數量級。

預計2024年建成的位於智利的歐洲極大望遠鏡，主鏡口徑39米，清晰度比哈勃高16倍……

對望遠鏡來説，口徑就是王道。對口徑大小沒概念的話，可以對比一下哈勃望遠鏡，2.4米。

等會兒，好像智利的出鏡率有點高啊，這哥們兒天文學很強嗎？説到智利特產，大夥可能想到的是櫻桃，而本僧想到的卻是……天文望遠鏡。

智利北部地區的氣候和大氣環境非常適合夜觀天象，這裏集中了全球一多半的頂級天文望遠鏡。值得一提的是，中國也在這兒建造自己的天文台，如果不算南極科考站的口徑0.68米的巡天望遠鏡，這應該是咱們頭一回在別的國家建造望遠鏡。

多嘴一句，前面提到的所有望遠鏡，加一起，還沒哈勃貴。

所以這事兒沒啥可説的了，相比如火如荼建設的地面望遠鏡，可見光空間望遠鏡幾乎無人問津……除了中國。

中國空間站有個配套裝置叫“巡天光學艙”，是一台口徑2米的可見光望遠鏡，計劃2024年發射，屆時可能是人類碩果僅存的可見光空間望遠鏡。那麼問題來了，人家都在地上搞了，咱為啥還要上天搞呢？

首先當然是因為太空望遠鏡仍然具有地面望遠鏡不具備的優勢，比如，自由地指向任意方向觀測，長時間對一個方向連續曝光，不會被人造衞星干擾，等等。其次，哈勃説到底就是太貴，而巡天望遠鏡和空間站共軌飛行，緊挨着，從空間站出去幹活，成本就低太多了。

最有意思的是，巡天可以對地觀測，是不是有點意外？這台天文望遠鏡，居然可以調轉方向觀察地面，至於這麼幹的意義嘛……你猜！

作為人類唯二的可見光空間望遠鏡，巡天免不了被拿來和哈勃做一番比較，其實吧，這話題和空間站一樣，上天時間差了35年，有啥好比的呢？兩者差異除了技術水平，很大程度是設計取捨導致的。另外，吃瓜羣眾們也別指望在這領域一舉超越美帝，差距仍有肉眼可見那麼大。

説了這麼多，那麼，韋伯上天究竟算多大一事兒？

通過對大氣擾動的修正，可見光的事好歹算擺平了，但紅外線、紫外線、X光就沒那麼容易打發了，因為這些傢伙不是被大氣層擾動，而且被大氣層吸收了。任憑你在地面如何折騰，也不可能還原已經消失的信號。

所以，這活還得上太空。

韋伯：尋找宇宙的黎明

按照現有理論，宇宙一直在膨脹，且膨脹速度超過光速，這導致遙遠天體的光譜紅移非常明顯，那兒發出的可見光，到了這兒可能就成了紅外線。

這麼一來，你想看得遠，就得指望紅外線。

哈勃在紅外波段只能湊合用，看到134億光年就頂天了，也就是宇宙大爆炸後4億年的情形。但是根據最新的研究表明，宇宙的第一批恆星是在大爆炸後2億~3億年之間誕生的，這就是所謂的“宇宙的第一縷光”。

尋找這第一縷光，非紅外望遠鏡莫屬。

於是，韋伯來了。

咱們給的官方名字是“韋布空間望遠鏡”，但大夥已經習慣叫韋伯了。

這傢伙之所以拖了14年才發射，是因為確實花了海量心血，充分體現了美帝在精密工業領域的深厚功底，幾乎達到了人類工程學的極限。

比如，口徑6.5米的主鏡，表面粗糙度低於10納米，另外，為了不浪費這種加工精度，與之配套的支架和控制系統精度可想而知。

這麼複雜且龐大的架子，在太空展開後，誤差不超過幾十納米。

温度越高，紅外線就越強，所以作為一台紅外線望遠鏡，製冷就成了頭等大事，不然你自身發出的紅外線就足夠折騰了。

舉個風馬牛不相及的例子。

最近俄烏戰爭中名噪一時的美國標槍導彈，在使用熱成像前，需要對紅外成像器件進行持續製冷，美軍標槍導彈使用手冊顯示，開機後必須要等2分半到3分半。而導彈配備的小型電池和製冷機只能堅持4分鐘，也就是説，射擊窗口最多隻有1分30秒，如果在1分半內沒有完成鎖定和發射，射手就必須更換製冷機和電池。因此，只要偵察得當，步坦協同到位，標槍要對付坦克並不容易。

扯遠了。無論天上地下，想和紅外線打交道，首先自己得夠冷。

很多人以為太空這麼冷，製冷還不簡單！其實剛好相反，因為太空沒有空氣可以散熱，太陽一曬就滾燙，所以首先得隔絕陽光。韋伯帶了5層又大又薄的遮陽帆，為了儘可能反射熱量，這5層僅幾十微米厚的薄帆也是費盡心機，可以保證背面温度在50K以內。

但這還不夠冷，為此科學家專門開發了一種脈衝管低温冷卻器，這玩意兒不但可以把紅外傳感器冷卻到7K，還幾乎沒有振動。你想想，如果冷卻器造成了幾十納米的晃動，那前期的精確加工就全白忙活了。

如果僅僅是這些，韋伯不至於拖14年，最麻煩的事還在後面。

地球本身就是一個很大的紅外發射源，為了避免地球干擾，韋伯要離地球遠遠的。多遠呢？在拉格朗日點，簡單來説，在這個地方，太陽引力和地球引力相當，飛行器可以懸停在此，有點像地球同步軌道的意思。這種地方有5個，韋伯停在離地球150萬公里的L2點。

相比來説，哈勃離地球只有590公里，其實哈勃上天后立馬就出問題了，主鏡偏差了千分之二毫米，拍的照片慘不忍睹，於是就把航天員送上去進行了第一次維修。

而150萬公里外的韋伯，是絕對不可能派人維修的。韋伯有多達344個故障點，沒有多餘備份，只要其中一個出問題，100億美元就打水漂了。悲劇的是，地面測試時，這些故障點經常出問題，比如2018年薄薄的遮陽帆展開時就被撕裂了。在這種壓力下，拖14年也就顯得沒那麼離奇了。

總之，韋伯有大量令人髮指的工程細節，科技含量無可挑剔，堪稱人類精密工業的巔峯之作，擔得起“史上最強望遠鏡”的稱號。

組裝完成後的韋伯

如此吊炸天，那它能看到宇宙的誕生嗎？不能，紅外線不是萬能的，甚至電磁波也不夠説明宇宙起源，這活至少要集合引力波、暗物質、中微子等一眾骨幹才能窺見一二。

韋伯空間望遠鏡工作在近紅外和中紅外波段，用於觀測宇宙大爆炸初期第一批恆星和星系的形成。按照目前理論，宇宙年齡138億年，哈勃已經看到了134億年，而韋伯可以再多2億年。

2022年3月11日，韋伯望遠鏡完成了最後一輪鏡片微調，傳回了第一張校準時拍攝的清晰照片，已經逐漸進入工作狀態，預計夏天正式開啓科學觀測，為人類視野再添2億光年。

還有一個題外話，韋伯不但是科技典範，也是坑錢典範，不但充分體現了美帝的科技實力，也充分體現了美帝的釣魚手段。

韋伯最早的預算是5億美元，不過很快就發現不夠燒，第二年就加了5億，不加不行啊，不然前面的5億就打水漂了。過了兩年，發現錢還是不夠燒，再加8億，不加不行啊，不然前面的10億就打水漂了。又兩年，再加7億，不加不行啊。三年後，加5億。過一年，再5億。兩年後，6億……就這樣一口一口，一直啃到了97億，比哈勃還敗家。

慧眼

前面説可見光時，還能看到咱們國家的身影，但在紅外波段，似乎有點寒磣？

這其實不奇怪，我國是發展中國家，發射的衞星大多是有具體用途的，比如用來監測耕地是否被侵佔的農業衞星，比如用來監測森林是否起火的紅外衞星，等等，很少用於純基礎科學研究。本僧掐着指頭數了數，好像只有2個半：一個是尋找暗物質的悟空號，一個是研究X射線的慧眼號，還有半個是用於驗證量子通信技術的墨子號（不算嚴格意義上的純基礎科學）。

其中，慧眼號就是一台空間望遠鏡，全稱：硬X射線調製空間望遠鏡。

如果説紅外線是研究恆星起源必不可少的，那麼X射線就是研究恆星死亡必不可少的。X射線屬於能量比較高的電磁波，通常來自比較劇烈的天體活動，比如恆星爆炸之類的，研究高能天體肯定少不了X射線，所以也算一個研究熱點。

相比無人問津的可見光空間望遠鏡，X射線望遠鏡算得上絡繹不絕。沒辦法，X射線經過大氣層就沒剩啥了，大家只能上天去幹活，歐洲的XMM-牛頓衞星、美國的羅西X射線時變探測器、錢德拉X射線天文台、日本的朱雀衞星、德國的eROSITA X射線望遠鏡……

在各國眾多的X射線望遠鏡中，慧眼妥妥算上乘了，是全世界靈敏度和分辨率最高的硬X射線望遠鏡。這不算啥，作為慧眼的繼任者，由中國領導的大型國際合作空間項目“增強型X射線時變與偏振空間天文台”預計2025年發射升空，到時候就是國際領先的旗艦級空間X射線天文台。

迄今為止最詳盡的宇宙X射線圖，包含了100萬個X射線源，數據來自德國eROSITA X射線望遠鏡的首次巡天任務。

文明所及

最後，咱們為燒錢的天文學找一個硬核理由。

1974年，為慶祝阿雷西博射電望遠鏡改建完成，該望遠鏡向2.5萬光年外的M13球狀星團發射了一串含有人類文明的信息，這就是著名的“阿雷西博信息”。

如今這條信息已經跑了大約50光年。如果外星人科技再高一點，能探測到無比微小的無線電信號，那麼1901年馬可尼進行的橫跨大西洋電報試驗，就是人類發出的第一個無線電信號，如今這個信號已經跑了120光年。

這就是人類痕跡在宇宙中所到達的最遠距離。

咱們僥倖一點，就按50光年算吧，目前在這個範圍內發現的類地行星大約50顆左右。在這50顆星球上產生智慧生物，並且該生物具有攻擊太陽系的能力和意圖，概率實在微乎其微，所以地球人還不用擔心。

於是，這條信息繼續往前跑，在目的地M13球狀星團的範圍內，已經發現了五六千顆類地行星，算上還沒發現的，少説幾萬顆起步，這回咱就不敢保證了。

再把基數擴大，據天文學家保守估算，銀河系至少有60億顆類地行星，你想想，地球何德何能成為60億分之一？幾乎可以肯定，銀河系裏一定還有其他智慧生物。

那麼，在接下來的10萬年裏，可能會有智慧生物收到地球人的信息。這個猜測是有依據的，以目前人類的科技水平，已經可以探測到50光年外的普通雷達信號，如果外星人比我們多發展個兩三千年，接收一條几千光年外的電磁波豈不是小菜一碟？

這事兒，咱得未雨綢繆啊！

是寄希望於外星人大爺無私的幫助地球人？還是憑藉旗鼓相當的科技水平友好交流互通有無？比如，你想看秦始皇登基的畫面，那就找到2200多光年外的外星人，拍下“它們”現在的畫面（對它們來説是兩千多年前的畫面），再通過蟲洞和它們交換。

阿雷西博信息已經上路，地球人，留給你們的時間不多了。