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天天热讯:太空望远镜：与众不同的成像方式

来源：科普中国

不久前,美国宇航局正式发布了韦伯太空望远镜拍摄的第一批照片，其中一张是包含数千个星系的星系团SMACS0723，拍摄到了比哈勃太空望远镜极深场照片中更微弱的星系，是人类迄今为止拍摄的最遥远、最清晰的宇宙深空图像。那么，太空望远镜是如何拍下这些遥远的星系照片？它和我们常见的照相机拍照又有什么不同？


(资料图片)

韦伯望远镜示意图

地面拍摄受大气干扰严重

德国哲学家康德曾表示：“有两种东西，我对它们的思考越是深沉和持久，它们在我心灵中唤起的惊奇和敬畏就会日新月异并不断增长，这就是我头上的星空和心中的道德律”。

人类天性就对星空充满好奇和向往，渴望了解更多的奥秘和知识，但肉眼的观测能力太弱，从伽利略时代简陋的望远镜开始，人类已经建立了不计其数的地基望远镜。目前，欧美国家正在建造30米和40米级的超大口径地基望远镜，它们将极大地扩展人类看宇宙的视野。

然而，复杂多变的大气层是地基望远镜观测的拦路虎，即使我们手拿双筒望远镜或廉价的初级天文望远镜，也时常会遇到云雨雾风等气象的干扰，而大气湍流活动带来的扰动，不仅让肉眼看到的星星不断闪烁，且在望远镜中闪烁跳动的更为厉害。

视宁度是指望远镜中影像的清晰度，用于衡量大气湍流的扰动程度，受到视宁度影响，地面望远镜的分辨率极限在1角秒左右，远远小于望远镜的衍射极限。

随着自适应光学技术的出现，视宁度不再是无法逾越的拦路虎，但大气层对很多波段光波的吸收，却让地面望远镜束手无策，厚厚的大气层已经吸收了红外等波段的光波，而宇宙大爆炸后的快速膨胀，导致宇宙早期的星光严重红移到红外波段，地面望远镜造得再大也是巧妇难为无米之炊。

韦伯望远镜示意图

为看得更清晰、更深远，了解更多星空和宇宙的奥秘，科学家提出了发射太空望远镜的想法，这样就不再受到大气困扰，可以把大型望远镜的光学能力发挥到极限。

人们在地面使用相机拍摄星空，无论是手机、单反和望远镜的摄像头，还是科学家使用的超级望远镜和高性能CCD传感器，都看不到被大气层吸收的红外光，无法像哈勃太空望远镜那样看到来自宇宙大爆炸早期遥远而微弱的星光。

不同材质成像有差别

光学望远镜可分为折射和反射两大类，以及混合的折反射系统。我们最常见和常用的光学望远镜是使用折射原理成像的手机摄像头和单反相机镜头。虽然折射光学系统简单可靠，但也有无法避免的问题：色差和重量。

折射光学系统中，光线穿过凸透镜本体，对镜片透光能力要求高，而透光材料对不同波段的光折射能力不一样，很容易出现色差。

望远镜制造者很早就发现了这一现象，因此使用不同材料镜片，研制了折射望远镜，基本解决了色差问题。然而，为获得更好的聚光能力，以观测更微弱的星辰，望远镜口径越造越大，折射镜的镜片也越来越重。同时，折射镜巨大的透镜磨制很困难且极易变形，让它们基本退出了天文观测领域。

太空望远镜对体积和重量要求极高，它们清一色的使用反射式光学系统，和手机、相机镜头的光学系统大相径庭。

反射式望远镜成像时，光线不需要透过主镜，而是通过反射聚焦成像，摆脱了色差困扰。反射式望远镜的镜片只需要加工一个反射面，加工制造简单且镜片重量轻，更容易造出更大口径的望远镜。

反射望远镜的优势让它快速成为了天文望远镜的主流。为获得更好的成像质量，美国的哈勃太空望远镜和韦伯太空望远镜选择了里奇-克莱琴式双曲面反射镜设计，而我国正在研制的巡天望远镜使用了无遮挡的离轴三反射设计，具有更好的成像质量。这些高性能的反射成像系统，在普通相机甚至业余望远镜上都是极为罕见的。

对太空望远镜来说，其镜片还需要考虑太空极大的温差环境，因此会选择热膨胀系数极低的镜片材料，也要考虑运载火箭发射时的加速度和振动，所以材料还要有一定弹性。

哈勃望远镜使用了超低膨胀系数的石英玻璃,而韦伯望远镜选择金属铍做镜片材料，欧洲和我国的太空望远镜更偏爱膨胀系数和密度都低的碳化硅材料。

韦伯望远镜等红外望远镜还要减弱本身发出的红外线，它的中红外相机要主动制冷降低到6k的超低温下，这和地面普通相机有着天壤之别。

新概念望远镜成像更独特

哈勃望远镜开创了空间天文学的新时代，而韦伯望远镜又向人们展示了宇宙大爆炸初期遥远而暗淡的星系。如今，科学家为探测更多宇宙奥秘，很多新概念望远镜已经或即将成为现实，它们使用了奇异的成像方式，将为人类带来更多科学探测惊喜。

哈勃太空望远镜

在韦伯望远镜发布首张照片的记者会上，美国宇航局局长比尔·纳尔逊做了一个形象比喻：“韦伯拍摄的这张照片覆盖的星空范围，相当于你在一臂之遥的距离上看到指尖上的一粒沙子。”

哈勃望远镜极深场和韦伯望远镜的深场照片，都是在极小的范围内窥探遥远和暗淡的天体，通俗地说就是详查，但天文学不仅关注星空的某一粒“沙子”，也关心宇宙大范围的详情，这就需要有负责普查的巡天望远镜。

欧空局负责巡天任务的欧几里德望远镜即将发射升空，我国的巡天光学望远镜也将在2023年发射，美国的罗曼望远镜也用于巡天观测，它们的特点都是视场宽广。

太空望远镜最激进的设想，当属美国的类地行星发现者（TPF）望远镜概念。目前，中国投资参与了平方公里阵列射电望远镜（SKA），它是由3000多个15米直径天线组成的天线阵列，通过甚长基线干涉技术获得高分辨率的射电图像。

SKA工作的波段很长，而可见光甚至红外线的波长很短，进行干涉成像的难度极高，TPF就是一个可见光干涉阵列的太空望远镜概念。它通过革命性的成像技术，能够直接拍摄遥远的系外行星，测量系外行星的大小、温度等信息，为人类解答是否存在系外生命的问题。

关键词： 光学系统 哈勃太空望远镜 宇宙大爆炸

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