盘点世界八大观测宇宙神器

本文来自微信公众号：地球知识局 （ID：diqiuzhishiju）

航天之父康斯坦丁・齐奥尔科夫斯基说过：“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。”

人类在地球上已经生活了 600 万年，我们的摇篮也一点点扩大，从一个聚落、一片大陆到整个星球。但和浩瀚的星辰大海相比，又如此的渺小。

从远在拉格朗日点的詹姆斯 · 韦伯望远镜，到藏在贵州深山里的中国天眼。为了准确、全面地观测宇宙，人类一直在不断改进望远镜。

本文将简要盘点一下目前仍在运行的宇宙观测神器。

哈勃天文望远镜 (Hubble Space Telescope，HST)

哈勃天文望远镜于 1990 年 4 月 24 日发射升空，并运行至今。其轨道位置为低地球轨道，目前位于地表上方 535 公里处。

哈勃锁定目标非常准，相当于能把激光准确照射在 320 公里外的硬币上。哈勃可全天区范围观测，可观测波段为可见光波段和紫外波段。

以“星系天文学之父”埃德温・哈勃为名

（图：wikipedia）▼

哈勃主要的科学发现和科研产出有：

1.测量了宇宙中不同天体的距离，对于建立宇宙距离尺度非常重要；

2.观测到了宇宙的膨胀速度正在加速，为研究暗能量的存在和性质提供了证据；

3.观测到了远古星系的形成和演化过程，为研究宇宙早期提供了宝贵数据；

4.通过观测星系和星团的引力透镜效应，发现了暗物质的存在；

5.观测到许多星系中心存在超大质量黑洞；

6.观测了宇宙背景辐射；

7.发现了柯伊伯带中的天体和观测了外太阳系行星和其卫星；

8.观测到许多系外行星，发现了一些类地行星。

9.通过观测星云和年轻恒星，深入了解了恒星的形成过程。

迄今为止，哈勃望远镜已经进行了超过 150 万次观测，总存档数据超过 340TB，天文学家使用哈勃数据发表了 19000 多篇科学论文。

多年来，哈勃望远镜拍摄的佳作不少

比如，这张 2014 年版“创生之柱” ▼

再比如，Westerlund 2，绚烂如烟火 ▼

詹姆斯・韦伯空间望远镜 (James Webb Space Telescope, JWST)

韦伯空间望远镜原计划于 2007 年发射，但一直推迟到 2021 年 12 月 25 日。它是 NASA、欧洲太空总署 (ESA) 和加拿大航天局 (CSA) 的合作项目。

韦伯空间望远镜，长这样（底图：wiki）▼

其轨道位置为日地系统的拉格朗日 L2 点，距离地球至少 150 万公里，L2 点可以保持背向太阳和地球的方位，易于校准和保护，而且在远离太阳的一侧，所以有利于红外观测。

韦伯的特长在红外观测，它能够看到更多，更老的恒星和星系。但 L2 轨道是不稳定的，需要动力维持望远镜姿态和位置，目前韦伯携带的推进剂足够使用 10 年，所以它的任务目标时间就是 10 年。

测试中的韦伯主镜，科幻感爆棚（图：wiki）▼

韦伯的主要科学目标是：

1.主要的任务是观测今天可见与宇宙的初期状态；

2.寻找宇宙大爆炸后形成的第一批恒星和星系的光；

3.研究星系的形成和演化；

4.研究恒星形成，行星系统的演化过程和生命的起源。

韦伯空间望远镜的发现包括但不限于首次直接拍摄系外行星、发现有史以来最遥远的星系、详细观测了系外行星的大气层和星系碰撞时的恒星形成等，其中还包括前不久拍摄到的一个问号形物体，引起了人们的极大关注。

韦伯望远镜拍摄的船底座星云部分图像

（横屏，图：NASA's JWST）▼

韦伯望远镜 2022 年拍摄的南环星云

犹如一块嵌在黑色丝绒上的蓝宝石

（图：NASA's JWST）▼

盖亚任务 (Gaia)

盖亚任务是欧洲太空总署的太空望远镜，致力于绘制一张精确的银河系三维星图。该任务于 2013 年 12 月 19 日发射升空，运行至今，正在观测银河系内外近 20 亿个星体。其轨道位于日地系统的拉格朗日 L2 点。

Gaia 任务包含两个望远镜，它们以固定的广角进行观测，对观测范围内的每个天体平均观测 70 次，时长持续 5 年。观测波段为可见光。

工作中的盖亚，想象图（图：wiki）▼

Gaia 的主要科学产出有：

1.测量我们太阳系的加速度；

2.改进近地小行星的轨道；

3.改进恒星掩星阴影轨道预测；

4.发现了更多的稀有恒星、超高速恒星、新小行星和系外行星，揭示了太空中的气态结构；

5.揭示银河系在早期 (大约在 100 亿年前) 可能与另一个大星系并合后形成；

6.推测银河系“厚盘”部分在 130 亿年前开始形成，距离大爆炸仅 8 亿年；

7.白矮星随着内部的冷却，会变成固体球体。

在 Gaia 观测到的天体中，超过 99.9% 的天体从未被精确测量过距离。预计盖亚任务结束时，存档数据将超过 1PB。

使用盖亚第三阶段资料绘制的四张图

（图：ESA / Gaia / DPAC）▼

“悟空”暗物质粒子探测卫星 (Dark Matter Particle Explorer, DAMPE)

暗物质粒子探测卫星是我国第一个空间天文探测器，命名为“悟空”。由中科院紫金山天文台主导，于 2015 年 12 月 17 日发射。

悟空号的轨道类型为太阳同步轨道，轨道高度约为 500 公里。原计划运行寿命为 3 年，但自从 2015 年发射后，至今仍在服役，而且工作状态良好。悟空号共计搭载了四种不同的有效载荷，结构如下图。

悟空号卫星的科学载荷结构示意图

（底图：紫金山天文台）▼

其主要科学目标是暗物质间接探测，次要目标是寻找宇宙射线的起源和伽马射线天体物理研究，主要科学产出有：

1.2017 年，首次在 1.5TeV 处观测到了明显超出的峰值；

2.给出了从 40 GeV 到 100 GeV 能段的宇宙线质子精确能谱测量结果，发布了 25 GeV 和 4.6 TeV 之间正电子光谱的精确测量结果；

3.“悟空”号卫星 530 天的运行共计记录到 28 亿个宇宙线粒子, 科学家从中筛选出了约 150 万个高能量的电子，测量出了这些电子的能谱分布。揭示出电子能谱存在的一处拐折和一处可能的尖峰结构；

4.记录到明显增强的伽马射线爆发现象，这一爆发在 12 月 16 日达到了峰值；

5.测量得到的两个最亮脉冲星的伽马周期在 1GeV-100GeV 的能量范围；

6.揭示了电子和正电子的通量出人意料的形状。

悟空号在暗物质间接探测方面，具有较强的国际竞争力。

宽视场红外巡天探测卫星 (Wide-field Infrared Survey Explorer, WISE)

WISE 是 NASA 在 2009 年发射的空间红外望远镜，运行期间共对约 158000 颗小行星进行了观测，其中包括约 34000 颗新发现的小行星。

该望远镜的四个工作波长分别为 3.4，4.6，12 和 22 微米，分别记为 W1，W2，W3 和 W4。到 2011 年 2 月，固态氢全部耗尽，望远镜进入休眠状态。

2010 年，WISE 拍摄的 C / 2007 Q3

（图：wikipedia）▼

WISE 拍摄的图像（图：NASA）▼

2013 年 8 月，WISE 被唤醒，继续使用 W1 和 W2 波段进行巡天观测，并更名为 NEOWISE，用于探测近地小天体。

截止 2022 年 4 月，NEOWISE 共对 40700 个太阳系天体进行了超过 120 万次红外测量，包括 1380 颗近地小行星和 246 颗彗星，其中发现了 347 颗潜在危险小行星和 34 颗彗星。

NEOWISE 位于太阳同步轨道，距离地表 525 公里，主要任务包括：

1.搜索近地小行星，为地球撞击威胁评估提供数据；2.观测彗星；3.研究小行星族群；4.测量小行星的大小分布和反照率。

C / 2020 F3，于 2020 年被 NEOWISE 发现

（图：wikipedia）▼

凌日系外行星巡天卫星（Transiting Exoplanet Survey Satellite, TESS）

系外行星凌星巡天卫星是一颗由 NASA 开发，专门用于探测系外行星的望远镜，又被称为“苔丝”。

TESS 的轨道位于高地球轨道，为高椭圆轨道，其偏心率为 0.55，近地点和远地点的距离分别约为 10.8 万公里和 37.3 万公里。该轨道可以获得天空南北半球的无遮图像。

TESS 于 2018 年 4 月 18 日发射升空，预设的主要任务为 2 年，至今仍在运行。截止 2023 年 8 月，TESS 发现了 373 颗已确认的系外行星。

TESS，启程（图：wiki）▼

中国巡天空间望远镜 (China Space Station Telescope, CSST)

CSST 将是中国第一个光学空间巡天望远镜，它于 2013 年 11 月立项，预计在 2024 年发射，将在 400 公里高的轨道上运行。这意味着 CSST 具备在轨维护升级的能力。

CSST 兼具大视场和高像质的优异性能，是哈勃视场的 300 倍。CSST 的计划运行期为 10 年，将对 17500 平方度的天区进行多波段成像和无缝光谱观测，并对遴选的天体或天区开展精细观测研究，以获取数十亿恒星与星系的测光数据和数亿条光谱，并通过直接成像搜寻和研究太阳系外行星。

中国巡天空间望远镜概念图

（图：bao.ac.cn/ csst/）▼

CSST 的主要科学目标有：

1.对宇宙加速膨胀、暗能量、暗物质、星系成团性和宇宙大尺度结构的研究；

2.星系和活动星系核，包括高红移星系和超大质量黑洞；

3.恒星活动、形成和演化；

4.系外行星、原行星盘和太阳系天体观测研究；

5.暂现源 / 变源和重要天文事件响应，例如引力波搜寻、高红移伽马射线暴和快速射电暴等。

“中国天眼”500 米口径球面射电望远镜 (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST)

“中国天眼”是目前世界上第一大的球面射电望远镜。项目早在 1994 年就被提出并开始进行预研工作。到 2020 年 1 月 11 日通过验收，正式开始运行。

因为天体目标在运动，所以中国天眼在跟踪观测时，抛物面要一直不停地跟踪变化。于是，反射面不断变形，悬挂在钢索上馈源也要进行相应的运动。

为了支持这一功能，中国科学家将 4450 块三角形主动反射面安装在球形的大网兜内表层，大网兜的 2225 个节点形成了 4450 个三角形区域，每个节点上有斜拉的钢索，连接到地面，钢索下面有液压促动器往下拽钢索，每一个节点都可以双向运动。通过联合控制，精确调节每个节点的运动距离，就可以使得球面变形成抛物面，实现变形。

其科学目标有：

1.大规模中性氢的巡天调查，绘制宇宙早期图像；

2.建立脉冲星计时阵，参与未来脉冲星自主导航和引力波探测；

3.主导国际甚长基线干涉测量网，探测天体的超精细结构；

4.检测星际通信讯号，参与地外文明搜索。

上述神器是当前最为引人瞩目的天文观测设备，为天文学家们带来了丰富的科学产出。中国在某些方面处于国际前沿地位，例如在暗物质探测和射电望远镜领域取得了显著进展。而在光和热红外波段，与国际先进水平仍存在较大差距。

随着天文学的发展，未来将需要更大口径的空间望远镜来捕捉更多微弱天体的光线。目前已经出现了一些针对未来空间望远镜的设计概念，例如大口径先进技术空间望远镜和单孔径远红外天文观测望远镜。这些观测神器将极大地提高人类对宇宙的认知。

参考资料：

• 1.https://idea.cas.cn/viewdoc.action?docid=56176；

• 2.https://fast.bao.ac.cn/；

• 3.https://zh.wikipedia.org；

• 4.https://exoplanets.nasa.gov/tess/

• 5.https://www.cas.cn/zt/kjzt/awzlztcwxgc/awztcwxzxjz/201512/t20151217_4498617.shtml；

• 6.https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/main/index.htm；

• 7.https://www.jwst.nasa.gov/；

• 8.https://solarsystem.nasa.gov/missions/gaia/in-depth/；

• 9.http://pmo.cas.cn/dampe/

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