第4章 空间探测器(4)

其实，和普通望远镜一样，天文望远镜能把远处的景物拉到观测者的眼前。天文望远镜比一般望远镜不仅要大得多，而且也精良得多。现代的天文（光学）望远镜品种、式样很多，根据设计原理，大致可以分为3大类：

第一类是折射望远镜。这种望远镜是使用最早的望远镜。它的前端是以一个或一组凸透镜作为物镜，后面是一个目镜。光线从前面进来，从后端出去。这种望远镜焦距较长，最适宜于天体测量工作。第一架天文望远镜——伽利略望远镜就是折射式望远镜。目前世界上最大的折射望远镜，是美国叶凯士天文台的口径为102厘米的望远镜。

第二类是反射望远镜。由于早期的折射望远镜有许多缺陷，看到的景物往往变形，并且在景物周围总有一圈五彩缤纷的色晕，影响观测精度。为了克服这些缺陷，牛顿发明了反射式望远镜。这种望远镜利用反射原理，用凹面镜作为物镜，把来自天体的光线反射聚集起来，不仅成像质量较高，而且还有镜筒较短、工艺制作较易等优点。因此，现代大型天文望远镜大多属这种类型。目前世界上较大的天文望远镜，要数前苏联高加索山上那台口径为6米和美国帕洛玛山天文台的口径为508米的反射望远镜了。后者的镜头玻璃就有20吨重！利用它可以窥见21等的暗星。

第三类是折反射望远镜，它是由德国光学家施密特设计出来的。这种望远镜综合了前两类望远镜的优点，视野宽、光力强、像差小，因而最适合用来研究月球、行星、彗星、星云等有视面的天体。

射电望远镜又称无线电望远镜，它是20世纪40年代才发展起来的新型天文探测工具。事实上，射电望远镜与光学望远镜有很大的不同，它既没有大炮式的镜筒，也没有物镜、目镜，它不是靠接受天体的光线，而是靠接受天体发射出来的无线电波来进行天文观测的。射电天文望远镜的形状与雷达接收装置非常相像。

射电望远镜最显著的优点之一是不受天气条件的限制，不管刮风下雨，无论是白天黑夜，都能进行观测。它的探测能力比普通的光学望远镜要强得多。

也许读者会问，为什么射电望远镜能看到光学天文望远镜无法观测到的许多宇宙秘密呢？我们知道，宇宙中的各种天体都能发出不同波长的辐射。而人眼只能看到天体在可见光范围内的辐射情况，对可见光以外范围（如γ射线、V射线、紫外线、红外线及无线电波等）的辐射情况却视而不见。射电望远镜就是接收和记录各种天体在不同波段上辐射的各种信息，再根据天体物理理论推算各类天体的有关物理情况，其中某些是光学望远镜难以测定的。有些天体在可见光波段的辐射并不明显，但在无线电波段却有很强的辐射，这时就只有依靠射电望远镜才能进行接收观测。此外，由于宇宙中还存在着许多尘埃粒子，它们能挡住我们在可见光波段的视线，但对无线电波的阻挡却较少。因此，射电望远镜能观测到一些光学望远镜无法看到的天体。

事实上，射电望远镜就是一套类似收音机、雷达那样的接收装置。它由天线、接收机、校准源以及记录设备等几大部分组成。该种望远镜的天线系统的作用类似于光学望远镜中的物镜，用以收集来自天体的无线电波。而接收机系统的作用则是在预定的频率范围内，把天线接收到的微弱太空信号，从强大的噪声中挑选出来，然后进行放大、记录、显示。记录仪或显示器所描绘出来的图像通常是一些弯弯曲曲的线条，而这些线条正是各种遥远的宇宙天体向我们发来的各种射电信息。

“天眼”哈勃望远镜

在介绍哈勃太空望远镜之前，我们首先了解下哈勃望远镜的故事。而事实上该故事还要从1946年说起，当时普林斯顿的天文学家莱曼·斯皮策曾建议美国研制一台太空望远镜，但自从国会于1977年批准之后，这个计划一直受到进度推迟、工作混乱、经费超支的困扰。当直径24米的主透镜经过5年的研磨、抛光于1981年完成时，所耗资金就比预算超出300万美元。再加上各种各样的技术问题和1986年“挑战者”号航天飞机失事后航天飞机停飞3年的禁令，直到1990年4月24日才把这台望远镜发射上天。

哈勃太空望远镜示意图该望远镜是用埃德温·哈勃的名字命名的，因为哈勃在1929年发现了宇宙膨胀。而科学家们研制这台望远镜的目的，便是观测宇宙的边缘，以有助于对人类最高深的一些问题找到答案。

资料显示，哈勃太空望远镜是被送入轨道的口径最大的望远镜。该望远镜总长128米，镜筒直径428米，主镜直径24米，连外壳孔径则为3米，全重约115吨。这是一个完整的性能卓越的空间天文台，借助它可观测到宇宙中140亿光年远发出的光；它能够单个地观测到星群中的任一颗星；它能研究和确定宇宙的大小和起源，以及宇宙的年龄、距离标度；它还能分析河外星系，确定行星部、星系间的距离，它能对行星、黑洞、类星体和太阳系进行研究，并画出宇宙图和太阳系内各行星的气象图。

专家指出，该望远镜由3大部分组成，第一部分是光学部分，第二部分是科学仪器，第三部分是辅助系统，包括两个长118米、宽23米，能提供24千瓦功率的太阳能电池帆板及两个与地面通讯用的抛物面天线。镜筒的前部是光学部分，而后部则是一个环形舱，在这个舱里面，望远镜主镜的焦平面上安放着一组科学仪器，太阳能电池帆板和天线从筒的中间部分伸出。

望远镜的光学部分是整个仪器的心脏。它采用卡塞格林式反射系统，由两个双曲面反射镜组成，一个是口径24米的主镜，另一个是装在主镜前约45米处的副镜，口径03米。投射到主镜上的光线首先反射到副镜上，然后再由副镜射向主镜的中心孔，穿过中心孔到达主镜的焦面上形成高质量的图像，供各种科学仪器进行精密处理，得出来的数据通过中继卫星系统发回地面。

除了光学部分，望远镜的另外一个主要部分就是装在主镜焦平面上的8台科学仪器，分别是：

（1）宽视场行星照相机。

它灵敏度高，观测波段极宽，从紫外一直到红外；不仅可观测太阳系行星，还可对银河系和河外星系进行观测，且照片清晰度非常高。

（2）暗弱天体照相机。

它是两个既独立又相似的完整天体和探测系统，可探测到暗至23~29等的星体。

（3）暗弱天体摄谱仪。

它可对从紫外到近红外波段的辐射进行光谱分析，又可测算它们的偏震。

（4）高分辨率摄谱仪。

它能对紫外波段进行分光观测，能观察更暗弱、更遥远的天体。

（5）高速光度计。

它可在可见光波段和紫外波段范围内对天体做精确测量，可确定恒星目标的光度标准，又进一步识别过去人们观测到的天体情况。

（6）精密制导遥感器。

望远镜上一共有3台精密制导遥感器，分别用于望远镜定向系统和天体位置精密测量定位。

事实上，这些科学仪器是为望远镜在最初几年运转期间所配备的。为了使太空望远镜能够充分利用最新技术成果，焦平面上的这些仪器设计成可作各种不同组合和更换方式的仪器。在望远镜工作期间，可以通过航天飞机上的航天员进行维修更换，必要时，也可以用航天飞机将整个望远镜载回地面做大的修理，然后再送入轨道。太空望远镜的寿命按设计要求至少15年，估计实际可达几十年。

当发现该望远镜观测距离不够远时，因首次拍摄到一颗天体的图像带来的兴奋一下子便变成极度的担忧。原来预计可以观测140亿光年远的望远镜现在只能观测到40亿光年！后来发现是因为主透镜边缘磨得太平，多磨掉了025毫米。更糟的是太阳能电池板每跨过一次昼夜分割线（90分钟）就折曲一次，引起了使视觉模糊不清的图像跳动。于是，描述情况很糟的种种说法都加在了哈勃望远镜的身上，批评家们甚至开始对美国航空航天局是否该继续存在下去提出了质疑。

3年后，美国宇航局对“重病缠身”的哈勃望远镜进行了一次耗资25亿美元、为期11天的大修。由航天员给它装上了称作“眼睛”的矫正光学部件和不易弯曲的太阳能电池板，中止了图像跳动。另外还装上了经过改进的摄像机。

在随后的1997年2月，美国航空航天局耗资35亿美元又进行了第二次维修，这次航天员又安装了2台新的仪器，使望远镜的数据搜集能力提高了9倍。一台近红外摄像机和多天体摄谱仪，把望远镜的能力扩展到了比电磁频谱中可看到的红光波长更长的红外线范围。另一台是太空望远镜成像摄谱仪，被称作是哈勃望远镜的“彩色视觉”。与以前的摄谱仪的区别是，它可以一次观测多达512个不同的天域或天体，找到可以确定这些天体的成分、速度和温度的线索。

为了扩大数据存储能力，航天局还装上了一台固态型磁带数据记录器。同以前所用的技术相比，这些新的仪器具有人工智能，可以一起协同工作，也可以同原先安装在望远镜上的其他摄像机一起工作。在各种波长的同时成像对天文学家更深入地研究某个天体非常有利。

事实证明，“哈勃”确实为人类探索太空提供了诸多依据。首先，“哈勃”帮助解决了一些长期困扰天文学家的问题，而且导出了新的整体理论来解释这些结果。“哈勃”的众多主要任务之一是哈勃太空望远镜拍摄的蝴蝶哈勃望远镜将对黑洞研究产生深刻影响。

星云要比以前更准确地测量出造父变星的距离，这可以让我们更加准确地定出哈勃常数的数值范围，这样才能对宇宙的扩张速率和年龄有更正确的认知。在“哈勃”升空之前，哈勃常数在统计上的误差估计是50%，但在“哈勃”重新测量出室女座星系团和其他遥远星系团内的造父变星距离后，提供的测量值准确率可以在10%之内。这与“哈勃”发射之后以其他更可靠的技术测量出来的结果是一致的。

“哈勃”也被用来改善宇宙年龄的估计，宇宙的未来也是被质疑的问题之一。来自高红移超新星搜寻小组和超新星宇宙论计划的天文学家使用望远镜观察遥远距离外的超新星，发现宇宙的膨胀也许实际上是在加速中。这个加速已经被“哈勃”和其他地基望远镜的观测证实，但加速的原因目前还很难以理解。

而由“哈勃”提供的高解析光谱和影像很明确地证实了盛行的黑洞存在于星系核中的学说。在60年代初期，黑洞将在某些星系的核心被发现还只是一种假说，在80年代才鉴定出一些星系核心可能是黑洞候选者的工作，“哈勃”的工作却使得星系的核心是黑洞成为一种普遍和共同的认知。“哈勃”计划在未来将着重于星系核心黑洞质量和星系本质的紧密关联上，“哈勃”对星系中黑洞的研究将在星系的发展和中心黑洞的关连上产生深刻与长远的影响。

“哥伦比亚”航天飞机示意图

作为一个无可否认的事实是，哈勃太空望远镜已到“晚年”。它在太空的十几年中，经历4次大修，分别为1993年、1997年、1999年、2001年。尽管每次大修以后，“哈勃”都面貌一新，特别是2001年科学家利用“哥伦比亚”航天飞机对它进行的第四次大修，为它安装测绘照相机，更换了太阳能电池板，更换已工作11年的电力控制装置，并激活处于“休眠”状态的近红外照相机和多目标分光计，然而，大修仍掩盖不住它的“老态”，因为“哈勃”从上太空起就处于“带病坚持工作”状态。

美国航空航天局将于近期召集各方面专家和宇航员共同讨论，到底在何时以何种方式让NASA（美国航空航天局）骄子——“哈勃”“寿终正寝”。尽管人们仍对它恋恋不舍，但“哈勃”所剩时日不多，也许在今年或稍晚一些时候就会被换下“一线”。

目前，美国正在积极筹划研制新一代太空望远镜，旨在接替目前还在轨道运行的哈勃望远镜。据报道，新一代望远镜主镜口径达75米，其观察范围比“哈勃”大4～6倍，清晰度不亚于“哈勃”。新一代望远镜，重量预定3000千克，而“哈勃”重达10000千克。制造这么大而又这么轻的镜片，要求在材料上有巨大的突破和进展。

“哈勃”在对宇宙形成初期进行探测时留下了1~10亿年之间空白，而新一代望远镜将填补这段空白，研究宇宙的早期，观察诸星系形成时期的情况。“哈勃”专门用紫外线和可见光中的短波来观测宇宙，而新一代望远镜则用电磁光谱中波长较长的红外线部分来深入探索宇宙。因为宇宙在扩张的过程中诸星系远离地球向外运动，它们的光变成波长较长的红光，以红外线的形式传到地球上。

专家指出，新一代望远镜不像“哈勃”那样绕地球轨道，而是将稳定地占据地球与太阳之间、月球以外约150万千米的一条轨道，制造一个望远镜阵。专家预计其最终的空间分辨率可优于哈勃望远镜近千倍。

作为将于2010年结束观测活动的哈勃太空望远镜的后续机，计划于2011年发射升空。但因哈勃太空望远镜的修补等延命措施的效果，故发射改期为2013年。

自从1959年世界第一个空间探测器升空以来，人类已相继发射了拜访月球、太阳系的7大行星以及小行星和彗星的探测器。有的探测器还飞到太阳系外去揭示更遥远的深空奥秘，其中对月球的考察最详细，甚至派遣了航天员赴月球实地考察。