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NO.2579- 觀測宇宙神器
文字：行星不發光
校稿：辜漢膺 / 編輯：蛾
寫在開頭：
近期，我們的專業作者将在我們的" 知識星球 "分享不同領域的知識、個人體驗、行業信息
①本期
▶主題：去過 50+ 國家和地區的人見過哪些鮮爲人知的風情
分享人：澄澈
- 巴拿馬，古巴，哥倫比亞，印度，阿根廷
②下期
▶主題：在荷蘭工作生活，一些小刺激的細節
分享人：谷雨
-90 厘米高的小便池、紅燈區 " 探險 "、" 混浴 " 的桑拿房、什麽是荷蘭 " 天體浴場 "
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航天之父康斯坦丁 · 齊奧爾科夫斯基說過：" 地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠被束縛在搖籃裏。"
人類在地球上已經生活了 600 萬年，我們的搖籃也一點點擴大，從一個聚落、一片大陸到整個星球。但和浩瀚的星辰大海相比，又如此的渺小。
從遠在拉格朗日點的詹姆斯·韋伯望遠鏡，到藏在貴州深山裏的中國天眼。爲了準确、全面地觀測宇宙，人類一直在不斷改進望遠鏡。
本文将簡要盤點一下目前仍在運行的宇宙觀測神器。
哈勃天文望遠鏡
( Hubble Space Telescope，HST )
哈勃天文望遠鏡于 1990 年 4 月 24 日發射升空，并運行至今。其軌道位置爲低地球軌道，目前位于地表上方 535 公裏處。
哈勃鎖定目标非常準，相當于能把激光準确照射在 320 公裏外的硬币上。哈勃可全天區範圍觀測，可觀測波段爲可見光波段和紫外波段。
以 " 星系天文學之父 " 埃德溫 · 哈勃爲名
（圖：wikipedia）▼
哈勃主要的科學發現和科研産出有：
1. 測量了宇宙中不同天體的距離，對于建立宇宙距離尺度非常重要；
2. 觀測到了宇宙的膨脹速度正在加速，爲研究暗能量的存在和性質提供了證據；
3. 觀測到了遠古星系的形成和演化過程，爲研究宇宙早期提供了寶貴數據；
4. 通過觀測星系和星團的引力透鏡效應，發現了暗物質的存在；
5. 觀測到許多星系中心存在超大質量黑洞；
6. 觀測了宇宙背景輻射；
7. 發現了柯伊伯帶中的天體和觀測了外太陽系行星和其衛星；
8. 觀測到許多系外行星，發現了一些類地行星。
9. 通過觀測星雲和年輕恒星，深入了解了恒星的形成過程。
迄今爲止，哈勃望遠鏡已經進行了超過 150 萬次觀測，總存檔數據超過 340TB，天文學家使用哈勃數據發表了 19000 多篇科學論文。
多年來，哈勃望遠鏡拍攝的佳作不少
比如，這張 2014 年版 " 創生之柱 " ▼
再比如，Westerlund 2，絢爛如煙火▼
詹姆斯 · 韋伯空間望遠鏡
( James Webb Space Telescope, JWST )
韋伯空間望遠鏡原計劃于 2007 年發射，但一直推遲到 2021 年 12 月 25 日。它是 NASA、歐洲太空總署 ( ESA ) 和加拿大航天局 ( CSA ) 的合作項目。
韋伯空間望遠鏡，長這樣（底圖：wiki）▼
其軌道位置爲日地系統的拉格朗日 L2 點，距離地球至少 150 萬公裏，L2 點可以保持背向太陽和地球的方位，易于校準和保護，而且在遠離太陽的一側，所以有利于紅外觀測。
韋伯的特長在紅外觀測，它能夠看到更多，更老的恒星和星系。但 L2 軌道是不穩定的，需要動力維持望遠鏡姿态和位置，目前韋伯攜帶的推進劑足夠使用 10 年，所以它的任務目标時間就是 10 年。
測試中的韋伯主鏡，科幻感爆棚（圖：wiki）▼
韋伯的主要科學目标是：
1. 主要的任務是調查宇宙微波背景輻射，即觀測今天可見與宇宙的初期狀态；
2. 尋找宇宙大爆炸後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，行星系統的演化過程和生命的起源。
韋伯空間望遠鏡的發現包括但不限于首次直接拍攝系外行星、發現有史以來最遙遠的星系、詳細觀測了系外行星的大氣層和星系碰撞時的恒星形成等，其中還包括前不久拍攝到的一個問号形物體，引起了人們的極大關注。
韋伯望遠鏡拍攝的船底座星雲部分圖像
（橫屏，圖：NASA's JWST）▼
韋伯望遠鏡 2022 年拍攝的南環星雲
猶如一塊嵌在黑色絲絨上的藍寶石
（圖：NASA's JWST）▼
蓋亞任務
( Gaia )
蓋亞任務是歐洲太空總署的太空望遠鏡，緻力于繪制一張精确的銀河系三維星圖。該任務于 2013 年 12 月 19 日發射升空，運行至今，正在觀測銀河系内外近 20 億個星體。其軌道位于日地系統的拉格朗日 L2 點。
Gaia 任務包含兩個望遠鏡，它們以固定的廣角進行觀測，對觀測範圍内的每個天體平均觀測 70 次，時長持續 5 年。觀測波段爲可見光。
工作中的蓋亞，想象圖（圖：wiki）▼
Gaia 的主要科學産出有：
1. 測量我們太陽系的加速度；
2. 改進近地小行星的軌道；
3. 改進恒星掩星陰影軌道預測；
4. 發現了更多的稀有恒星、超高速恒星、新小行星和系外行星，揭示了太空中的氣态結構；
5. 揭示銀河系在早期 ( 大約在 100 億年前 ) 可能與另一個大星系并合後形成；
6. 推測銀河系 " 厚盤 " 部分在 130 億年前開始形成，距離大爆炸僅 8 億年；
7. 白矮星随着内部的冷卻，會變成固體球體。
在 Gaia 觀測到的天體中，超過 99.9% 的天體從未被精确測量過距離。預計蓋亞任務結束時，存檔數據将超過 1PB。
使用蓋亞第三階段資料繪制的四張圖
（圖：ESA / Gaia / DPAC）▼
" 悟空 " 暗物質粒子探測衛星
( Dark Matter Particle Explorer, DAMPE )
暗物質粒子探測衛星是我國第一個空間天文探測器，命名爲 " 悟空 "。由中科院紫金山天文台主導，于 2015 年 12 月 17 日發射。
悟空号的軌道類型爲太陽同步軌道，軌道高度約爲 500 公裏。原計劃運行壽命爲 3 年，但自從 2015 年發射後，至今仍在服役，而且工作狀态良好。悟空号共計搭載了四種不同的有效載荷，結構如下圖。
悟空号衛星的科學載荷結構示意圖
（底圖：紫金山天文台）▼
其主要科學目标是暗物質間接探測，次要目标是尋找宇宙射線的起源和伽馬射線天體物理研究，主要科學産出有：
1.2017 年，首次在 1.5TeV 處觀測到了明顯超出的峰值；
2. 給出了從 40 GeV 到 100 GeV 能段的宇宙線質子精确能譜測量結果，發布了 25 GeV 和 4.6 TeV 之間正電子光譜的精确測量結果；
3." 悟空 " 号衛星 530 天的運行共計記錄到28 億個宇宙線粒子, 科學家從中篩選出了約 150 萬個高能量的電子 , 測量出了這些電子的能譜分布。揭示出電子能譜存在的一處拐折和一處可能的尖峰結構；
4. 記錄到明顯增強的伽馬射線爆發現象，這一爆發在 12 月 16 日達到了峰值；
5. 測量得到的兩個最亮脈沖星的伽馬周期在 1GeV-100GeV 的能量範圍；
6. 揭示了電子和正電子的通量出人意料的形狀。
悟空号在暗物質間接探測方面，具有較強的國際競争力。
寬視場紅外巡天探測衛星
( Wide-field Infrared Survey Explorer, WISE )
WISE 是 NASA 在 2009 年發射的空間紅外望遠鏡，運行期間共對約 158000 顆小行星進行了觀測，其中包括約 34000 顆新發現的小行星。
該望遠鏡的四個工作波長分别爲 3.4，4.6，12 和 22 微米，分别記爲 W1，W2，W3 和 W4。到 2011 年 2 月，固态氫全部耗盡，望遠鏡進入休眠狀态。
2010 年，WISE 拍攝的 C/2007 Q3
WISE 拍攝的圖像（圖：NASA）▼
2013 年 8 月，WISE 被喚醒，繼續使用 W1 和 W2 波段進行巡天觀測，并更名爲 NEOWISE，用于探測近地小天體。
截止 2022 年 4 月，NEOWISE 共對 40700 個太陽系天體進行了超過 120 萬次紅外測量，包括 1380 個近地小行星和 246 顆彗星，其中發現了 347 顆潛在危險小行星和 34 顆彗星。
NEOWISE 位于太陽同步軌道，距離地表 525 公裏，主要任務包括：
1. 搜索近地小行星，爲地球撞擊威脅評估提供數據；2.觀測彗星；3. 研究小行星族群；4. 測量小行星的大小分布和反照率。
C/2020 F3，于 2020 年被 NEOWISE 發現
淩日系外行星巡天衛星
（Transiting Exoplanet Survey Satellite, TESS）
系外行星淩星巡天衛星是一顆由 NASA 開發，專門用于探測系外行星的望遠鏡，又被稱爲 "苔絲"。
TESS 的軌道位于高地球軌道，爲高橢圓軌道，其偏心率爲 0.55，近地點和遠地點的距離分别約爲 10.8 萬公裏和 37.3 萬公裏。該軌道可以獲得天空南北半球的無遮圖像。
TESS 繞地球運行，想象圖
（圖：shutterstock）▼
TESS 于 2018 年 4 月 18 日發射升空，預設的主要任務爲 2 年，至今仍在運行。截止 2023 年 8 月，TESS 發現了 373 顆已确認的系外行星。
TESS，啓程（圖：wiki）▼
中國巡天空間望遠鏡
( China Space Station Telescope, CSST )
CSST 将是中國第一個光學空間巡天望遠鏡，它于 2013 年 11 月立項，預計在 2024 年發射，将在 400 公裏高的軌道上運行。這意味着 CSST 具備在軌維護升級的能力。
CSST 兼具大視場和高像質的優異性能，是哈勃視場的 300 倍。CSST 的計劃運行期爲 10 年，将對 17500 平方度的天區進行多波段成像和無縫光譜觀測，并對遴選的天體或天區開展精細觀測研究，以獲取數十億恒星與星系的測光數據和數億條光譜，并通過直接成像搜尋和研究太陽系外行星。
中國巡天空間望遠鏡概念圖
（圖：bao.ac.cn/csst/）▼
CSST 的主要科學目标有：
1. 對宇宙加速膨脹、暗能量、暗物質、星系成團性和宇宙大尺度結構的研究；
2. 星系和活動星系核，包括高紅移星系和超大質量黑洞；
3. 恒星活動、形成和演化；
4. 系外行星、原行星盤和太陽系天體觀測研究；
5. 暫現源 / 變源和重要天文事件響應，例如引力波搜尋、高紅移伽馬射線暴和快速射電暴等。
" 中國天眼 "500 米口徑球面射電望遠鏡
( Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST )
" 中國天眼 " 是目前世界上第一大的球面射電望遠鏡。項目早在 1994 年就被提出并開始進行預研工作。到 2020 年 1 月 11 日通過驗收，正式開始運行。
" 中國天眼 " 宛如玉盤（圖：共生地球）▼
因爲天體目标在運動，所以中國天眼在跟蹤觀測時，抛物面要一直不停地跟蹤變化。于是，反射面不斷變形，懸挂在鋼索上饋源也要進行相應的運動。
爲了支持這一功能，中國科學家将 4450 塊三角形主動反射面安裝在球形的大網兜内表層，大網兜的 2225 個節點形成了 4450 個三角形區域，每個節點上有斜拉的鋼索，連接到地面，鋼索下面有液壓促動器往下拽鋼索，每一個節點都可以雙向運動。通過聯合控制，精确調節每個節點的運動距離，就可以使得球面變形成抛物面，實現變形。
功能強大（底圖：壹圖網）▼
其科學目标有：
1. 大規模中性氫的巡天調查，繪制宇宙早期圖像；
2. 建立脈沖星計時陣，參與未來脈沖星自主導航和引力波探測；
3. 主導國際甚長基線幹涉測量網，探測天體的超精細結構；
4. 檢測星際通信訊号，參與地外文明搜索。
它是搜尋脈沖星的利器（圖：圖蟲創意）▼
上述神器是當前最爲引人矚目的天文觀測設備，爲天文學家們帶來了豐富的科學産出。中國在某些方面處于國際前沿地位，例如在暗物質探測和射電望遠鏡領域取得了顯著進展。而在光和熱紅外波段，與國際先進水平仍存在較大差距。
随着天文學的發展，未來将需要更大口徑的空間望遠鏡來捕捉更多微弱天體的光線。目前已經出現了一些針對未來空間望遠鏡的設計概念，例如大口徑先進技術空間望遠鏡和單孔徑遠紅外天文觀測望遠鏡。這些觀測神器将極大地提高人類對宇宙的認知。
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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/
* 本文内容爲作者提供，不代表地球知識局立場
封面：NASA
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