你有沒有想像過一個人躺在柔軟的草坪上，遙望夜空，看著星光在頭頂閃耀，隨著時間的流逝，銀河緩緩轉動的壯觀景象。或許你曾經在動漫或者電影作品，甚至某些手機的發布會中看過這些鏡頭。但拉開自家的窗戶，伸出頭望向天空，天空卻是漆黑一片，除了月亮和啟明星，再怎麼努力也只能看到幾顆暗淡的星星。
現代的人們知道，夜空中星星是宇宙中發光的恆星和反光的行星，這些星球發出或反射的光，穿過遙遠的宇宙空間和星際塵埃後最終到達地球。在大氣層中生活的人們，看星星就好像隔著一層透明塑料蓋子。
對於工業化時代前的人來說。這個蓋子是高度透明的，畢竟那時候還沒有電燈，城鎮的照明只能通過昏暗的蠟燭和煤油燈。除了少數富裕的地區外，大多數人在夜晚只能靠月光照明。在這種沒有幹擾的環境下，肉眼大約能看到天空中的 3000 顆星星，如果把範圍擴大到整個天球，可以看到大約 6000 顆星星。
看到還不夠，想清楚的看到星星需要什麼？
400 多年前，一位荷蘭眼鏡製造師發現將一塊凸透鏡和一塊凹透鏡對準了放在一起，可以讓遠方的物體變近變大，這是人類第一次獲得了把遠景放大的方法，於是他向荷蘭國會申請了折射望遠鏡的專利。專利發布第二年，伽利略對這個望遠鏡進行了改造，讓望遠鏡的放大倍率從 3 倍變成了 30 倍。這望遠鏡有了觀察星星的能力。如果你想知道伽利略的改進有多重要，可以用自己手上的手機嘗試一下 3 倍放大和 30 倍放大的區別。
▲ 早期的荷蘭望遠鏡 圖片來自：WIKI
在獲得了能放大 30 倍的望遠鏡後，人類好像拿到了新世界大門的鑰匙。伽利略成了人類歷史上第一個看到木星的衛星的人、第一個看到土星光環的人、第一個清楚地看到月亮表面的環形山和山谷的人、第一個觀測太陽黑子並得出太陽自轉的人。他改良的折射望遠鏡，讓天文學進入快速發展期。但因為光學原理，折射望遠鏡不可避免地存在色差問題，在當時想要解決這個問題，只有加長望遠鏡的焦距。誇張的時候，有人造出了焦距 180 米的無筒望遠鏡，但這種望遠鏡根本沒有實用性。
▲ 折射式望遠鏡 圖片來自：WIKI
好在牛頓橫空出世，發明了反射式望遠鏡。這種新型的望遠鏡不僅去除色差，還很容易產生較短的焦比，帶來比折射式望遠鏡更寬廣的視野。除了光學原理帶來的觀測優勢外，採用光學反射原理的牛頓式望遠鏡內部不需要透鏡，相比傳統的折射式望遠鏡生產成本也降低了很多，更適合大量推廣。
▲ 牛頓式望遠鏡 圖片來自：WIKI
到了 20 世紀初，體積龐大、製造複雜的大型折射望遠鏡已經很少有人製造，當時實際投入使用的最大折射望遠鏡是芝加哥大學葉凱士 (Yerkes) 天文臺的 40 英寸 (1.02 米) 望遠鏡。大部分在 20 世紀建造光學望遠鏡，已經換成了體積更小，效果很好的反射式望遠鏡。反射式望遠鏡只要放大鏡片就能獲得更高解析度的圖片，但是用單塊兒玻璃做鏡片，直徑很難超過八米，所以蜂巢式拼接鏡面成為了超大型望遠鏡的理想選擇。
地面光學望遠鏡的局限性
那是不是只需要將望遠鏡鏡片無限放大，我們就能更好地觀測宇宙呢？事情並沒有這麼簡單。20 世紀中期，家用電器和電燈泡已經逐漸普及到每一個家庭，發達地區城市的天空燈火通明。從太空望向地球，城市的燈光像棋盤一樣，鋪滿了地球的每一個角落。但相比城市的燈光，天空的星星其實是非常暗淡的。即使是夜空中最亮的月亮的照明效果，也比不上馬路旁的路燈。更何況一個城市中可能有幾十萬照明的路燈，而一個地區可能有幾個城市相連。所以在光汙染嚴重的城市附近，人們幾乎無法用肉眼看到天上的銀河。
▲ 從宇宙俯瞰城市的夜空 圖片來自：NASA
嚴重的城市光汙染對天文望遠鏡觀測活動也是一個巨大的挑戰。除了將天文望遠鏡搬到荒無人煙的山頂和小島以外，並沒有什麼好辦法。除了地面上的光汙染以外，如今的科學家們還要面對來自天上的光汙染。比如馬斯克的星鏈計劃，會在近地軌道投放近 12000 顆小衛星。
▲ 天文望遠鏡中的人造發光體
這些小衛星上攜帶的太陽能電池板和天線會反射陽光。雖然白天我們無法看見它們，但在夜空中，他們就是明亮的星星。如果只有一兩百顆這樣的衛星當然不是什麼大問題，但如果馬斯克的衛星超過人類之前所發射的所有衛星，地面天文臺的觀測將會被嚴重幹擾。
▲ 這麼多衛星在天上會發生什麼？
想像一下，衛星排成一列長隊空中穿過，就好像一輛火車。這對成像質量嚴重依賴環境的光學望遠鏡來說，可以算是致命打擊。雖然馬斯克表示，Space X 將採用塗層減少衛星的反照率，但從目前的測試的效果來說，並不能滿足天文學家的要求。
地面不行，把望遠鏡搬到天上呢？
既然地球上環境對天文觀測的幹擾因素那麼多，為什麼不把天文望遠鏡搬到宇宙中呢？早在 1946 年，天文學家萊曼·斯皮策就提出了空間天文臺的設想。直到 1990 年，哈勃望遠鏡終於隨著發現號太空梭騰空，被安放在近地軌道。哈勃望遠鏡口徑為 2.4 米、長度約 16 米，雖然尺寸還不到地面望遠鏡的零頭。但它在沒有大氣幹擾的太空能拍出比地面望遠鏡解析度更高、效果更好的圖片，同時也能觀測地面望遠鏡無法觀測的紅外紫外波段。
▲ 哈勃望遠鏡 圖片來自：NASA
截止 2018 年。哈勃望遠鏡總共探測了 43500 個天體，觀測任務超過 150 萬次，我們熟知的許多關於宇宙的宏偉圖片，都是由哈勃望遠鏡拍攝的。它傳回來的數據，已經讓天文學家發了超過 15000 篇科學論文，論文的引用量超過 738000 次。完全可以說：哈勃望遠鏡就是當代天文學家最明亮的眼睛。自從有了哈勃望遠鏡，天文學再次進入了高速發展期。
▲ 這些圖片都是出自哈勃望遠鏡 圖片來自：NASA
2012 年，NASA 發布了哈勃極深空的圖片，這篇圖片包含前十年哈勃空間望遠鏡的影像，在經過進一步處理後，哈勃望遠鏡拍攝到了 132 億年前的星系，這片影像總曝光時長達到 200 萬秒，相當於對著一個區域拍攝了 23 天。其中最暗的星系，光度甚至只有肉眼可分辨光度下線的 1/10000000000（一百億分之一），這也是人類第一次看到宇宙初生時期的情景。
不過這已經是哈勃望遠鏡的極限了，作為一臺服役近 30 年、太空梭退役而無法再次進行維修的空間望遠鏡，哈勃已經走到了生命的盡頭。好在 NASA 已經為哈勃準備了新的繼任者——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）。
▲ 太空梭對哈勃展開維護工作 圖片來自：NASA
後哈勃時代，人們要怎樣去觀測星空？
哈勃望遠鏡已經讓我們看到了 132 億年前的宇宙，但人類還想看的更遠、看的更清晰。宇宙早期的可見光已經紅移到紅外波段了，直接觀測紅外光譜顯然更加方便。但大氣會吸收紅外線，不適合紅外波段的天文觀測，所以空間紅外望遠鏡就成了完成這一任務的最佳選擇。為了滿足觀測宇宙初生時期的需求，NASA 在上世紀 90 年代上馬了詹姆斯·韋伯太空望遠鏡。
它採用了蜂巢式拼接鏡面的設計，鍍金的反射鏡口徑達到了 6.5 米，焦距達 131.4 米，反光鏡面積是哈勃望遠鏡的 5 倍以上。我們知道，紅外線對於溫度非常敏感，為了保證紅外探測設備的正常運行，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的反射鏡和相機系統必須工作在 50K 以下的溫度。
▲ 左為哈勃望遠鏡，右為詹姆斯·韋伯望遠鏡
太空中可沒有大氣層遮陽，所以 NASA 為望遠鏡設計了五層展開後面積達到 300 平米左右的遮陽傘，這些傘重疊在一起，足以讓鏡片溫度從 350K 下降到 50K。這些遮陽傘不但面積要大，重量還要輕。為了減少火箭的負擔，每層遮陽傘的厚度僅有 25 微米（第一層為 50 微米），差不多只有兩根頭髮寬。在發射過程中，5 層遮陽傘還要摺疊起來，並在太空中自行展開。僅此一項，就可見其中技術到底有多複雜。
▲ 面積 320 平米的遮陽傘 圖片來自：NASA
由於紅外探測對低熱輻射的特殊要求，詹姆斯·韋伯望遠鏡的遮陽傘必須同時遮擋太陽光和地球的反光。這就需要太陽和地球始終同處一個方向。根據拉格朗日定理，在地球與太陽的引力功能作用下，太空飛行器可以穩定的停留在 L1~L5 這 5 個點中。
▲ 詹姆斯·韋伯空間望遠鏡位於 L2 圖片來自：NASA
可能你會想，只要不在圍繞地球的軌道上，是不是同樣可以達到目的？的確有紅外探測的太空飛行器被安排在這些位置。2003 年，NASA 發射的斯皮策空間望遠鏡，就運行在一條位於地球公轉軌道後方，環繞太陽的軌道上。由於它相對太陽公轉的速度更慢，所以該衛星會以每年 0.1 天文單位的速度逐漸遠離地球，最終它會到達 L3 位置，徹底中斷與地球的聯繫。而詹姆斯·韋伯所在的 L2 軌道位置距離地球更近，通信方便之餘軌道也更加穩定。
不過將衛星發射到距離地球非常遙遠的 L2，也有著很大的風險。一旦發射失敗，就意味著 NASA 研發 20 年，100 億美金的經費的望遠鏡就打了水漂。為保證發射萬無一失，詹姆斯·韋伯望遠鏡不斷在地面做模擬實驗，發射也從 2018 年跳票到了 2021 年。今年新冠疫情在美國的流行再次打斷了研發工作，如果今年內疫情都沒能得到有效控制，明年的發射任務還可能會繼續跳票。
國際空間天文望遠鏡發展不錯，中國呢？
除了美國、歐盟依舊在積極的開發空間天文望遠鏡外。國內也開始加大在天文望遠鏡的投入。除了 2016 年在貴州建成的 FAST 射電望遠鏡外，空間望遠鏡也提上了日程。2013 年中國載人航天工程辦公室對外正式公布中國空間站名稱時，提到其中一個實驗艙名為「巡天」，該艙段的核心是一臺 2 米孔徑的天基望遠鏡。
▲ 巡天就是實驗艙 II
但在 2016 年，中國載人航天工程總設計師周建平表示：未來會單獨發射一個十幾噸的光學艙，與空間站保持共軌飛行狀態。也就是說，中國已經放棄和空間站一體的望遠鏡構型，轉而研製類似哈勃望遠鏡的空間天文望遠鏡。
據周建平所說，這臺口徑兩米的空間望遠鏡解析度與哈勃相當，視場角是哈勃的 300 多倍，並和空間站共軌飛行。這點類似太空梭維修哈勃望遠鏡。空間望遠鏡需要維護時，由空間站上的航天員通過機械臂直接對其維護，提高了檢修的便利度。不過巡天望遠鏡具體何時發射，官方還沒有相關消息流出，微博上有消息說將在 2024 年發射。不管怎樣，這將是國內首臺常見波段的空間望遠鏡，值得期待。
寫在最後
▲ 圖片來自：unsplash
百萬年前，人們仰望天上的星星，或許只是為了滿足自己的好奇心，又或者為心靈尋找依託。但隨著研究的一步步深入，人類意識到自己或許不是星空中獨一無二的生命。從地心說到日心說，最後到宇宙大爆炸，人類對星空的探索越多，對自身的渺小的認識也愈發深刻。
為什麼人們明知自身渺小，但還是勇敢探索星空呢？或許，驅動人類不斷探索的動力，正是人類對未知的恐懼吧。
題圖來自：unsplash