图解空间望远镜发展史

文/ 叶楠

微波及射电空间望远镜

微波与宇宙背景辐射

微波及射电波段位于电磁波谱中红外线以外的长波端，微波波段波长范围在1毫米～1米之间，对应频率范围是300兆赫兹～300吉赫兹。家用微波炉产生用于给食物加热的电磁波频率约为2.4兆赫兹，就属于微波波段，除此以外，微波波段在通讯领域有着更为广泛的应用，包括卫星通讯、手机、WiFi、蓝牙所使用的电磁波都位于这个波段。大爆炸宇宙学说预言了微波背景辐射（也称宇宙背景辐射）的存在，它等效于温度约为2.73K（约-270.42℃）黑体发出的辐射，峰值频率为160.23吉赫兹，也属于微波波段范围。1964年，美国物理学家彭齐亚斯和无线电天文学家威尔逊确认发现了微波背景辐射的存在，并获得了1978年诺贝尔物理学奖（图为两人与当时所用的号角型天线在一起）。由于微波波段在通讯领域的广泛应用，因此人为的干扰因素较大，天文学家想要探寻宇宙中微弱的微波辐射，就不得不将微波望远镜送入太空。

射电天文学

比微波波长更长的波段我们称之为射电波。1932年，贝尔电话实验室的工程师卡尔·央斯基利用定向天线研究跨大西洋短波通讯的静电干扰时，无意间发现了来自于人马座银河系中心的射电辐射。1937年，格罗特·雷柏在自家后院建造了一台直径9米的抛物面射电望远镜，并进行了人类历史上首次射电巡天观测。随着二战的结束，大量雷达被改装成射电望远镜，20世纪60年代，射电天文学陆续发现了类星体、脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子。由于射电波波长较长，要想获得足够分辨率需要将射电望远镜做得很大，或者依赖射电干涉技术。图为目前世界上最大的单体射电望远镜FAST，口径达到500米，位于我国贵州省平塘县。幸运的是，射电波相对微波受到的人为干扰要小得多，绝大多数射电望远镜都可建在地面。

宇宙背景探测器

宇宙背景探测器（COBE）（左图）是美国宇航局的一颗主要用来研究宇宙微波的天文卫星，于1989年11月18日从范登堡空军基地发射升空，发射质量超过2吨，轨道高度890公里、倾角99度、周期102.5分钟。在这个轨道上，COBE每半年时间可以对整个天球进行一次完整的巡天观测。COBE的主要仪器包括差分微波辐射计、远红外分光光度计和弥漫红外背景实验。整个卫星制造成本低于3000万美元，为了节省开支，COBE借鉴了同期红外天文卫星的许多设计。整个任务持续了4年时间，至1993年12月23日结束。

宇宙微波背景辐射是宇宙中最古老的电磁辐射，充满宇宙各个角落，是关于早期宇宙重要的数据来源。COBE对宇宙微波背景辐射的测量结果为大爆炸宇宙学说提供了两个关键证据：其一是COBE探测到的微波背景辐射数据与大爆炸理论预测的温度为2.73K（约-270.42℃）的黑体辐射谱完美吻合；其二是右图显示的微波背景辐射也存在非常微弱的各向异性，图中不同颜色代表不同的辐射温度。各向异性指的是不同方向的宇宙背景微波辐射具有不同的温度，但差异很小，只有平均温度2.73K的万分之一，这种温度涨落来自于早期宇宙密度的差异。COBE的两位主要研究人员斯穆特和马瑟因也因此获得了2006年的诺贝尔物理学奖。

哈尔卡实验室

哈尔卡实验室（HALCA）是日本宇宙航空研究开发机构的一颗空间天文卫星，主要任务是进行空间甚长基线干涉观测，于1997年2月12日发射升空，轨道近地点560公里、远地点21000公里、倾角31度、周期500分钟。它的网状天线打开后有效口径达到8米。由于射电波波长较长，若想获得更高的分辨率必须增加望远镜口径或进行多镜面干涉观测。受限于地球直径，若想达到更长的基线，必须飞向太空。这是人类首次进行的空间甚长基线干涉观测，当它在远地点时，与地面射电望远镜同时进行观测，可以等效一台口径30000公里射电望远镜的分辨率。HALCA设计寿命3年，实际一直运行至2005年11月，获得了可观的观测数据。

奥丁号

“奥丁号”是瑞典的一颗探测卫星，以北欧神话人物奥丁命名，主要应用于天文学和高层大气科学研究。“奥丁号”于2001年2月20日从斯沃博德内航天发射场升空，这个发射场位于俄罗斯阿穆尔州海兰泡以北167公里处，于2007年关闭。卫星轨道高度622公里、倾角98度、周期98分钟。“奥丁号”的主要观测设备是一台口径1.1米的射电望远镜和一台光学及红外摄谱仪，它非常适合对彗星中的水汽进行研究，一共观测了大概15颗彗星。时至今日，“奥丁号”仍在运行之中，但天文观测的功能已经停止。

威尔金森微波各向异性探测器

威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）（左图）是由戈达德太空飞行中心与普林斯顿大学联合开发的一颗宇宙学探测卫星，于2001年6月30日由德尔它Ⅱ型火箭从卡纳维拉尔角发射升空。2003年，为了纪念于2002年去世的天文学家大卫·威尔金森，以他的名字重新命名了卫星。威尔金森是宇宙微波背景辐射研究的先驱，也为COBE和WMAP的成功做出了卓越贡献。WMAP被放置在围绕拉格朗日L2点的利萨茹轨道上，它的主镜是一对格里高利式蝶形反射镜，口径1.4米×1.6米，可以接收到频率范围23～94吉赫兹的电磁波。WMAP的主要工作是对宇宙早期背景进行温度测量，类比于对地球大气的温度测量，但不同的是由于宇宙背景温度较低，它的辐射主要集中在射电波段，而地球热辐射主要集中在红外波段。

WMAP的测量是建立在现代标准宇宙学模型——ΛCDM模型基础上的。WMAP的数据非常符合模型预言的以宇宙学常数表示的暗能量主导的宇宙。WMAP持续运行了9年时间，于 2010年10月20日正式退役。根据2012年WMAP释放的最后一批数据我们可以描绘出右图这样的宇宙演化图景：宇宙年龄约为137.7亿年，在大爆炸之后宇宙经历了量子扰动时期、暴胀时期、约37.5万年后的大爆炸余辉，这也是COBE、WMAP以及后续普朗克卫星的观测目标；之后宇宙经历黑暗时期，约在大爆炸4亿年后第一代恒星形成，之后陆续诞生星系、行星等我们现在所能见到的一切；现在的宇宙在暗能量的作用下处于加速膨胀之中。

普朗克卫星

普朗克卫星（左图）隶属欧空局，于2009年5月14日发射。同COBE和WMAP类似，“普朗克”也是一台以探测宇宙微波背景辐射为己任的空间望远镜，但与两台前辈望远镜相比，“普朗克”拥有更高的灵敏度和分辨率。“普朗克”的主镜直径是1.9米×1.5米，观测波长延伸到红外波段，为300微米～11.1毫米，对应频率范围是27吉赫兹～1太赫兹。由于红外探测会受到仪器本身热辐射的干扰，所以“普朗克”也采用了和其他红外望远镜类似的制冷方式，可以将仪器冷却至-273.05℃，仅仅比绝对零度高0.1℃。“普朗克”运行了4年时间，直到2012年冷却剂耗尽，于2013年10月23日退役。

依据“普朗克”的数据可以发现：组成恒星和星系等的普通物质只占宇宙总质量和能量的4.9%；暗物质是不可见的，但可以根据其引力作用间接探测到，占26.8%；暗能量是一种能够使宇宙加速膨胀的未知能量，占68.3%。右图是根据“普朗克”数据描绘的一副宇宙历史的艺术图像（从左至右依次描绘的是：宇宙中最早的光、第一代恒星、再电离过程和第一代星系）。“普朗克”数据提供的信息表明第一代恒星的形成时间要晚于之前的估计。

射电天文号

“射电天文号”是俄罗斯的一台空间射电望远镜，于2011年7月18日从拜科努尔发射升空，主要工作是对银河系内及河外射电源的结构和动力学研究。它的轨道最远曾经达到过39万公里，超过月地平均距离。望远镜的口径达到10米，是世界上最大的空间望远镜，它的观测波长也是空间望远镜中最长的，能够探测到波长1.3～92厘米的电磁辐射。与此同时，它还可以与地面望远镜配合进行射电干涉测量，得益于它的轨道高度，能与地面望远镜组成基线超过35万公里的射电干涉阵，大大增加了射电望远镜的分辨率。2019年1月11日“射电天文号”与地面失去联系，同年5月30日宣告任务结束。