後哈伯時代，人們要怎樣去觀測星空？

你有沒有想像過一個人躺在柔軟草坪上、遙望夜空，看著星光在頭頂閃耀，隨著時間流逝，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，甚至某些手機發布會看過這些鏡頭，但拉開自家窗戶，伸出頭望向天空，天空卻是漆黑一片，除了月亮，再怎麼努力也只能看到幾顆黯淡的星星。

對工業化時代前的人來說，天空是「透明」的，畢竟那時候還沒有電燈，城鎮的照明只能透過昏暗的蠟燭和煤油燈，除了少數富裕地區外，大多數人在夜晚只能靠月光照明，在這種沒有干擾的環境下，肉眼大約能看到天空中的 3,000 顆星星，如果把範圍擴大到整個天球，可以看到大約 6,000 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。

在獲得能放大 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衛星的人、第一個看到土星光環的人、第一個清楚看到月亮表面環形山和山谷的人、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。最誇張之際，有人造出了焦距 180 公尺的無筒望遠鏡，但這種望遠鏡根本沒有實用性。

▲ 折射望遠鏡。（Source：wikipedia）

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。

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）天文台的 1.02 公尺望遠鏡，在 20 世紀建造的大部分光學望遠鏡，都已換成體積更小，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，但是用單塊玻璃做鏡片，直徑很難超過 8 公尺，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，鋪滿地球每一個角落。

嚴重的城市光污對天文望遠鏡觀測活動是一個巨大的挑戰，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。而如今的科學家們還要面對來自天上的光污染，比如馬斯克在近地軌道投放近 12,000 顆小衛星的星鏈計畫。

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，他們就像明亮的星星，如果只有一兩百顆這樣的衛星倒不是什麼大問題，但如果馬斯克的衛星超過人類之前所發射的所有衛星，地面天文台觀測將會被嚴重干擾。

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干擾因素那麼多，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·史匹哲就提出了太空天文台的設想。直到 1990 年，哈伯望遠鏡終於隨著發現號升空，安放在近地軌道，在沒有大氣干擾的太空中拍出比地面望遠鏡分辨率更高、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。

截至 2018 年，哈伯望遠鏡總共探測了 43,500 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，都是由哈伯望遠鏡所拍攝。它傳回來的數據，已經讓天文學家發表超過 15,000 篇科學論文，論文的引用量超過 738,000 次，完全可以說：哈伯望遠鏡就是當代天文學家最明亮的眼睛。自從有了哈伯望遠鏡，天文學再次進入了高速發展期。

2012 年，NASA 發布了哈伯極深空圖片，這篇圖片包含前十年哈伯望遠鏡的影像，在經過進一步處理後，哈伯望遠鏡拍攝到了 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。

▲ 哈伯極深空。（Source：NASA）

不過這已經是哈伯望遠鏡的極限了，做為一台服役近 30 年、無法再次進行維修的太空望遠鏡，哈伯已經走到了生命盡頭。好在 NASA 已經為哈伯準備了新的繼任者——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）。

後哈伯時代，人們要怎樣去觀測星空？

哈伯望遠鏡讓我們看到了 132 億年前的宇宙，但人類還想看得更遠，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，所以太空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 推出詹姆斯·韋伯太空望遠鏡。

它採用蜂巢式拼接鏡面的設計，鍍金的反射鏡口徑達到了 6.5 公尺，焦距達 131.4 公尺，反光鏡面積是哈伯望遠鏡的 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，必須工作於 50K 以下的溫度環境。

然而太空中可沒有大氣層遮陽，所以 NASA 為望遠鏡設計了 5 層展開後面積達到 300 平方公尺左右的遮陽傘，這些傘重疊在一起，足以讓鏡片溫度從 350K 下降到 50K。為了減輕火箭負擔，每層遮陽傘的厚度僅 25 微米（第一層為 50 微米），差不多 2 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。

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。

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？的確有紅外探測器被安排在這些位置，2003 年，NASA 發射的史匹哲太空望遠鏡就運行在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，也有著很大風險。一旦發射失敗，就意味著 NASA 研發 20 年、透入的 100 億美元經費就此打水漂。為保證發射萬無一失，詹姆斯·韋伯望遠鏡不斷地面做模擬實驗，發射也從 2018 年跳票延到 2021 年。今年新冠疫情爆發再次打斷研發工作，如果今年內疫情都沒得到有效控制，明年的發射任務可能會繼續跳票。

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托。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。

（本文由 愛范兒 授權轉載；首圖來源：NASA）