不久前，美國宇航局正式發(fā)布了韋伯太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的第一批照片，其中一張是包含數(shù)千個星系的星系團SMACS0723，拍攝到了比哈勃太空望遠(yuǎn)鏡極深場照片中更微弱的星系，是人類迄今為止拍攝的最遙遠(yuǎn)、最清晰的宇宙深空圖像。那么，太空望遠(yuǎn)鏡是如何拍下這些遙遠(yuǎn)的星系照片？它和我們常見的照相機拍照又有什么不同？

韋伯望遠(yuǎn)鏡示意圖

地面拍攝受大氣干擾嚴(yán)重

德國哲學(xué)家康德曾表示：“有兩種東西，我對它們的思考越是深沉和持久，它們在我心靈中喚起的驚奇和敬畏就會日新月異并不斷增長，這就是我頭上的星空和心中的道德律”。

人類天性就對星空充滿好奇和向往，渴望了解更多的奧秘和知識，但肉眼的觀測能力太弱，從伽利略時代簡陋的望遠(yuǎn)鏡開始，人類已經(jīng)建立了不計其數(shù)的地基望遠(yuǎn)鏡。目前，歐美國家正在建造30米和40米級的超大口徑地基望遠(yuǎn)鏡，它們將極大地擴展人類看宇宙的視野。

然而，復(fù)雜多變的大氣層是地基望遠(yuǎn)鏡觀測的攔路虎，即使我們手拿雙筒望遠(yuǎn)鏡或廉價的初級天文望遠(yuǎn)鏡，也時常會遇到云雨霧風(fēng)等氣象的干擾，而大氣湍流活動帶來的擾動，不僅讓肉眼看到的星星不斷閃爍，且在望遠(yuǎn)鏡中閃爍跳動的更為厲害。

視寧度是指望遠(yuǎn)鏡中影像的清晰度，用于衡量大氣湍流的擾動程度，受到視寧度影響，地面望遠(yuǎn)鏡的分辨率極限在1角秒左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于望遠(yuǎn)鏡的衍射極限。

隨著自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)，視寧度不再是無法逾越的攔路虎，但大氣層對很多波段光波的吸收，卻讓地面望遠(yuǎn)鏡束手無策，厚厚的大氣層已經(jīng)吸收了紅外等波段的光波，而宇宙大爆炸后的快速膨脹，導(dǎo)致宇宙早期的星光嚴(yán)重紅移到紅外波段，地面望遠(yuǎn)鏡造得再大也是巧婦難為無米之炊。

韋伯望遠(yuǎn)鏡示意圖

為看得更清晰、更深遠(yuǎn)，了解更多星空和宇宙的奧秘，科學(xué)家提出了發(fā)射太空望遠(yuǎn)鏡的想法，這樣就不再受到大氣困擾，可以把大型望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)能力發(fā)揮到極限。

人們在地面使用相機拍攝星空，無論是手機、單反和望遠(yuǎn)鏡的攝像頭，還是科學(xué)家使用的超級望遠(yuǎn)鏡和高性能CCD傳感器，都看不到被大氣層吸收的紅外光，無法像哈勃太空望遠(yuǎn)鏡那樣看到來自宇宙大爆炸早期遙遠(yuǎn)而微弱的星光。

不同材質(zhì)成像有差別

光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可分為折射和反射兩大類，以及混合的折反射系統(tǒng)。我們最常見和常用的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是使用折射原理成像的手機攝像頭和單反相機鏡頭。雖然折射光學(xué)系統(tǒng)簡單可靠，但也有無法避免的問題：色差和重量。

折射光學(xué)系統(tǒng)中，光線穿過凸透鏡本體，對鏡片透光能力要求高，而透光材料對不同波段的光折射能力不一樣，很容易出現(xiàn)色差。

望遠(yuǎn)鏡制造者很早就發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，因此使用不同材料鏡片，研制了折射望遠(yuǎn)鏡，基本解決了色差問題。然而，為獲得更好的聚光能力，以觀測更微弱的星辰，望遠(yuǎn)鏡口徑越造越大，折射鏡的鏡片也越來越重。同時，折射鏡巨大的透鏡磨制很困難且極易變形，讓它們基本退出了天文觀測領(lǐng)域。

太空望遠(yuǎn)鏡對體積和重量要求極高，它們清一色的使用反射式光學(xué)系統(tǒng)，和手機、相機鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)大相徑庭。

反射式望遠(yuǎn)鏡成像時，光線不需要透過主鏡，而是通過反射聚焦成像，擺脫了色差困擾。反射式望遠(yuǎn)鏡的鏡片只需要加工一個反射面，加工制造簡單且鏡片重量輕，更容易造出更大口徑的望遠(yuǎn)鏡。

反射望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)勢讓它快速成為了天文望遠(yuǎn)鏡的主流。為獲得更好的成像質(zhì)量，美國的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和韋伯太空望遠(yuǎn)鏡選擇了里奇-克萊琴式雙曲面反射鏡設(shè)計，而我國正在研制的巡天望遠(yuǎn)鏡使用了無遮擋的離軸三反射設(shè)計，具有更好的成像質(zhì)量。這些高性能的反射成像系統(tǒng)，在普通相機甚至業(yè)余望遠(yuǎn)鏡上都是極為罕見的。

對太空望遠(yuǎn)鏡來說，其鏡片還需要考慮太空極大的溫差環(huán)境，因此會選擇熱膨脹系數(shù)極低的鏡片材料，也要考慮運載火箭發(fā)射時的加速度和振動，所以材料還要有一定彈性。

哈勃望遠(yuǎn)鏡使用了超低膨脹系數(shù)的石英玻璃,而韋伯望遠(yuǎn)鏡選擇金屬鈹做鏡片材料，歐洲和我國的太空望遠(yuǎn)鏡更偏愛膨脹系數(shù)和密度都低的碳化硅材料。

韋伯望遠(yuǎn)鏡等紅外望遠(yuǎn)鏡還要減弱本身發(fā)出的紅外線，它的中紅外相機要主動制冷降低到6k的超低溫下，這和地面普通相機有著天壤之別。

新概念望遠(yuǎn)鏡成像更獨特

哈勃望遠(yuǎn)鏡開創(chuàng)了空間天文學(xué)的新時代，而韋伯望遠(yuǎn)鏡又向人們展示了宇宙大爆炸初期遙遠(yuǎn)而暗淡的星系。如今，科學(xué)家為探測更多宇宙奧秘，很多新概念望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)或即將成為現(xiàn)實，它們使用了奇異的成像方式，將為人類帶來更多科學(xué)探測驚喜。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡

在韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)布首張照片的記者會上，美國宇航局局長比爾·納爾遜做了一個形象比喻：“韋伯拍攝的這張照片覆蓋的星空范圍，相當(dāng)于你在一臂之遙的距離上看到指尖上的一粒沙子?！?/p>

哈勃望遠(yuǎn)鏡極深場和韋伯望遠(yuǎn)鏡的深場照片，都是在極小的范圍內(nèi)窺探遙遠(yuǎn)和暗淡的天體，通俗地說就是詳查，但天文學(xué)不僅關(guān)注星空的某一?！吧匙印?，也關(guān)心宇宙大范圍的詳情，這就需要有負(fù)責(zé)普查的巡天望遠(yuǎn)鏡。

歐空局負(fù)責(zé)巡天任務(wù)的歐幾里德望遠(yuǎn)鏡即將發(fā)射升空，我國的巡天光學(xué)望遠(yuǎn)鏡也將在2023年發(fā)射，美國的羅曼望遠(yuǎn)鏡也用于巡天觀測，它們的特點都是視場寬廣。

太空望遠(yuǎn)鏡最激進(jìn)的設(shè)想，當(dāng)屬美國的類地行星發(fā)現(xiàn)者（TPF）望遠(yuǎn)鏡概念。目前，中國投資參與了平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA），它是由3000多個15米直徑天線組成的天線陣列，通過甚長基線干涉技術(shù)獲得高分辨率的射電圖像。

SKA工作的波段很長，而可見光甚至紅外線的波長很短，進(jìn)行干涉成像的難度極高，TPF就是一個可見光干涉陣列的太空望遠(yuǎn)鏡概念。它通過革命性的成像技術(shù)，能夠直接拍攝遙遠(yuǎn)的系外行星，測量系外行星的大小、溫度等信息，為人類解答是否存在系外生命的問題。