巡天之旅

　　這是一次視覺革命，一次不斷突破視覺極限的傳奇之旅，一次延續了400多年的視覺“裝備賽”，它對人類思想史的貢獻怎么評價都不會過高，而這一切都開始于400多年前的荷蘭小鎮米德爾堡。1608年10月，小鎮眼鏡店的工匠漢斯·利珀希制作了最早的望遠鏡，這件事被遠在威尼斯的伽利略獲悉后深受啟發，于是便動手制作了一架天文望遠鏡。從1609年末到1610年初，伽利略用他的折射天文望遠鏡開始了一次前所未有的視覺體驗之旅。他發現了木星的4顆衛星，發現了掠過太陽表面的行星大小的黑子和月球上的隕石坑。
　　
　　光學望遠鏡的“裝備賽”
　　
　　折射望遠鏡統治了半個多世紀的天文觀測，人們在這段時間里不斷通過延長望遠鏡的焦距來消除影響觀測效果的物像變形和物像上惱人的“花邊”現象，望遠鏡因此被做得越來越長。1655年，荷蘭科學家惠更斯把他的望遠鏡做成了接近40米長，望遠鏡的物鏡被吊在一根高高的桅桿上，目鏡則用一根繩子與物鏡相連，這樣做雖然提高了觀測質量，但操作起來很不方便。
　　1668年，牛頓制作出了第一架反射望遠鏡。這時人們意識到，物鏡的口徑越大，收集到的光線就越多，分辨率也越高。于是，望遠鏡開始變得越來越“胖”，而不是越來越長了。到了18世紀末和19世紀中葉，大口徑望遠鏡日益興盛，其制作的代表人物是英國天文學家威廉·赫歇爾和羅斯伯爵。1789年，赫歇爾制作了一架口徑為1.22米的大望遠鏡，他用這架反射望遠鏡發現了土衛一和土衛二。1845年，羅斯伯爵制作了一架當時最大的望遠鏡，這個龐然大物重3.6噸，口徑1.84米，鏡筒長達17米。羅斯伯爵用它發現了第一個旋渦狀星云，還看到了“蟹狀星云”內的纖維狀結構。
　　然而望遠鏡的鏡片越大，望遠鏡就越笨重，承載系統變得巨大無比且費用高昂，這個問題直到近現代電子計算機輔助觀測技術和多鏡片拼嵌技術的逐步應用才得到了巧妙的解決。人們使用多鏡片組合方式，在鏡片背面安裝活動支撐系統，利用升降裝置使鏡片保持正確的形狀，于是光學望遠鏡才真正進入到了巨鏡時代，由此誕生了功勛卓著的凱克望遠鏡、昴星團望遠鏡、大雙筒望遠鏡、大麥哲倫望遠鏡等世界頂級巨鏡。地面望遠鏡的“裝備賽”至此又進入到了一個全新的階段。
　　
　　紅外目光下的星空世界
　　
　　天體除了發出可見光之外，還發出多種人類的眼睛看不見的光，包括射電波、紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線等。現在，人類已經掌握了在各種“不可見”波段上全面觀測宇宙的技術。1962年，美國天體物理學家萊曼·斯皮策主持設計了一個用紫外線觀測宇宙的太空天文臺，這就是1972年8月發射的“哥白尼”衛星，它攜帶的紫外線望遠鏡對宇宙進行了成功的觀測。斯皮策提出并實踐了將望遠鏡送入太空的設想，他被認為是20世紀最有影響力的科學家之一。
　　2003年8月25日，一架名為“空間紅外望遠鏡設備”的太空望遠鏡被德爾塔2型火箭發射升空。12月8日，為了紀念斯皮策在太空望遠鏡方面的開創性貢獻，美國宇航局將這架發射成功的紅外太空望遠鏡命名為“斯皮策”。
　　“斯皮策”太空望遠鏡主鏡口徑0.85米，它的紅外“眼睛”能透視遙遠星系中被塵埃遮擋的中心地帶。它發回的第一批圖像包括一個距地球1200萬光年的旋渦星系M81，它在紅外波段上反映出來的豐富細節令科學家們大為驚訝。在一個遠離地球30億光年的星系中，“斯皮策”還發現了有機分子，它們是生命存在的基石。
　　在紅外波段，恒星與行星的光譜特征明顯不同，所以“斯皮策”可以相對容易地研究太陽系以外其他恒星周圍的行星。2007年3月，“斯皮策”首次捕捉到來自兩顆系外行星的“足夠多的光”，從而幫助科學家確定了其中的一顆——HD189733b的大氣中有水和甲烷。“斯皮策”還在對彗星和柯伊伯帶天體的觀測中大顯身手。2005年，它觀測了“深度撞擊號”探測器釋放的撞擊器撞擊“坦普爾一號”彗星后產生的噴出物，證明彗星是由行星系統形成之初的物質簡單凝結而成的。2007年，它捕捉到“施瓦斯曼瓦茨曼三號”彗星在靠近太陽時因彗核的持續碎裂而留下的由碎屑和塵埃構成的軌跡，這是此前人類從未曾見過的現象，科學家們從中了解了彗星破碎的詳細過程。
　　“斯皮策”主要工作在近紅外和中紅外波段上，波長范圍為3～180微米，而另一架紅外太空望遠鏡“赫歇爾”則是一架遠紅外太空望遠鏡，它于2009年5月發射升空，其主鏡口徑3.5米，大約相當于“斯皮策”口徑的4倍，其強大的功能足以使它收集到來自宇宙深空中的由極寒冷和極遙遠的天體發出的輻射。“赫歇爾”是紅外天文學的新一代利器。
　　
　　透過X射線看宇宙
　　
　　在宇宙中，有些雙星發射強烈的X射線，它們被稱為X射線雙星，這種雙星多由一顆普通恒星和一顆致密星，如中子星和黑洞組成。由于致密星強大的引力，鄰近普通恒星中的物質被致密星拉了出來并落入致密星，這個過程被稱為“吸積”。“吸積”使物質達到極高的溫度并產生X射線輻射，雙星系統也因此成了X射線源。吸積活動也存在于大質量黑洞的周圍，它使星系的核心部分變得極其明亮，人們可以通過觀測這些“活動星系核”的X射線輻射來研究黑洞周圍的氣體活動。
　　星系或星系團之間充滿著大量發射X射線的氣體，科學家認為，星系團中存在著大量的暗物質，它們往往與高溫氣體共存，所以研究其中的X射線輻射對研究暗物質的性質具有重大意義。
　　超新星遺跡是宇宙中重要的X射線源，這些遺跡在下一代星球誕生的過程中被吸收而變成新的恒星和行星的一部分，其中的元素，如碳、氧、鐵等是人們研究宇宙物質的重要內容，因此超新星遺跡也是天文學家們非常感興趣的宇宙X射線源。
　　X射線是我們的肉眼看不見的一種電磁輻射，它在天文學領域的真正應用開始于20世紀60年代。到了1999年，天文學家們迎來了X射線天文學的輝煌時期，一架人類史上造價最高的太空巨鏡——“錢德拉”X射線太空望遠鏡被“哥倫比亞”號航天飛機送上了軌道，它給現代天文學帶來了全新的視野。
　　“錢德拉”包括四臺套筒式掠射主鏡，每臺口徑1.2米，它的升空使人們看到了此前未曾一見的宇宙X射線景觀。科學家們曾用“錢德拉”觀測到了船底座兩個星系團碰撞融合的景象，發現了暗物質確實存在的證據。2004年5月，科學家宣布說，他們用“錢德拉”對遠近不等的26個星系群作了X射線觀測，然后用觀測到的數據對宇宙中的暗能量問題進行了研究，結果發現，60億年前，宇宙在重力的控制下其膨脹的速度是在逐漸減速的，但此后，神秘的暗能量接替重力控制了宇宙，宇宙又開始轉入加速膨脹的狀態。
　　在X射線和可見光之間還有紫外線波段，這個波段的望遠鏡研究的第一個對象是太陽，后發展到研究早型星、白矮星和各種星際物質。自“哥白尼”衛星升空后，人類發射了涵蓋各類紫外波段的望遠鏡，紫外天文學也是人類研究宇宙的重要途徑。
　　
　　捕捉伽馬暴的巡天翹楚
　　
　　在宇宙中，伽馬射線會產生突然增強的現象，人們稱之為伽馬射線暴，簡稱為“伽馬暴”。天文學家們平均每天都能夠觀測到一次來自天空中不同方向的伽馬暴。它們在數秒種內產生的能量差不多等同于把太陽的全部質量都轉變成能量。在短短的一瞬間里，這種爆炸所釋放出的能量可以相當于太陽一年輻射能量的幾百億倍。它們是如何形成的?產生的源頭在哪里呢?
　　現在，天文學家們對伽馬暴的成因已有了一些初步的解釋。一種情況是，當一顆超大質量恒星走向死亡時，它們中的一部分會成為超級新星，這是一種特殊的超新星，比一般的超新星威力更大。這時，由于重力的坍塌，灼熱的能量便從星核處以光速沖出星體，爆炸波與星際間的氣體、塵埃發生碰撞，于是，伽馬暴就發生了。另一種情況是，當兩顆中子星發生碰撞時，它們融合成黑洞，這個過程也會產生伽馬暴。
　　當伽馬暴發生時，劇烈的沖擊和碰撞還會產生X光、可見光和無線電波，這些射線都能從地球上觀測到，天文學家們稱之為伽馬暴的“余光”。
　　幾十年來，人類發射了一系列天文衛星觀測伽馬暴，有些取得了很好的成績。2004年11月，一顆名為“雨燕”的觀測衛星搭乘德爾塔火箭升入太空。“雨燕”是非常先進和靈活的伽馬暴觀測衛星，它擁有一系列搭載的望遠鏡，包括爆發警示望遠鏡、X射線望遠鏡和紫外線光學望遠鏡，可從伽馬射線、X射線、紫外線和光波四個方面研究伽馬暴和它的余光。“雨燕”非常靈活，它首先利用爆發警示望遠鏡偵察伽馬暴，然后利用X射線望遠鏡和紫外線光學望遠鏡收集伽馬暴發生點附近的信息，最后通過這些信息找出伽馬暴的位置。到目前為止，“雨燕”已經發現了數百次伽馬暴現象。
　　迄今為止，“雨燕”捕捉到的最遙遠的伽馬暴位于大約130億光年之外的地方，這讓科學家們非常驚訝。我們知道，宇宙大爆炸發生在大約137億年前，也就是說，當這個伽馬暴發生時，宇宙僅僅形成了約7億年。假若將這種伽馬暴的光線予以分解，人們便可以得到反映在伽馬暴中的各種元素的光譜，從而了解早期宇宙的大量信息。伽馬暴在這方面為天文學家們研究早期的宇宙提供了重要的線索。
　　
　　“大手筆”托舉天文學的未來
　　
　　面對宇宙，人類依然懷有許多疑問：宇宙大爆炸后的第一縷星光是如何出現的?早期的宇宙究竟是一種怎樣的狀態?在宇宙中，生命，尤其是智慧生命是否十分稀少?抑或地球人并非宇宙中的唯一?神秘的黑洞、類星體、暗物質和暗能量，它們在宇宙的形成和發展中起著怎樣的作用?在人類所知甚少的太陽系遙遠的邊緣，傳說中的柯伊伯帶和奧爾特云是否果真存在?
　　要解開這些謎團，就需要更大更強的望遠鏡。正在建設中的“詹姆斯·韋伯”太空望遠鏡有望把人類的視線延伸到宇宙遙遠的邊緣，看到宇宙初期的狀態，人類因此得以回望130多億年前宇宙初開時的情景。正在籌建中的歐洲極大望遠鏡將使地面望遠鏡的口徑達到42米。天文學家希望用未來的望遠鏡直接觀察恒星周圍的行星，從而在這些行星上尋找支持生命存在的化合物，包括水、甲烷和氧氣等。
　　科學家還希望用未來的望遠鏡研究宇宙中的黑洞和類星體，從而揭示星系的產生和發展之謎。現在科學家知道，一個神秘的超大質量黑洞“半人馬座A*”就隱藏在銀河系的中心。在過去的近20年里，他們一直在追蹤運行在這個神秘天體周圍的恒星，他們發現那些恒星運行得非常快，這是黑洞存在的證據，因為黑洞的引力十分強大，所以附近的恒星必須快速運轉，否則便有墜于黑洞的危險。
　　現在，一個龐大的射電望遠鏡陣列一“阿塔卡馬大毫米及次毫米波陣列”正在建造之中，預計兩年以后便可投入使用。科學家們相信，通過與地球上的其他望遠鏡相配合，這個由66個碟形天線組成的射電望遠鏡陣列將最終能夠為“半人馬座A*”成像，這將為破解星系的形成之謎提供很大的幫助。在未來，像這種依賴于望遠鏡的太空探測“大手筆”將把天文學帶入一個全新的時代。
　　
　　“中國視線”，舉世期待
　　
　　2001年，中國啟動了一個名為“大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡”的大型光學望遠鏡項目，簡稱LAMOST，它是一個由大口徑(4米)、大視場和4000根光纖組成的超大規模光譜觀測系統。2008年10月，LAMOST正式落成。2010年4月17日，LAMOST被正式冠名為“郭守敬”望遠鏡，它是世界上最大的大視場望遠鏡，可觀測1000萬個天體，在光譜觀測中獨樹一幟。LAMOST是中國望遠鏡制造史上的里程碑，它的建成為繼續研制極大口徑望遠鏡打下了堅實的基礎。
　　2007年，中國另一個大型望遠鏡項目一口徑達500米的球面射電望遠鏡(簡稱FAST)立項，它將安放在貴州黔南州平塘縣的大洼地中。FAST由4600塊三角型反射板拼接而成，其外形與鍋式衛星天線相似，面積相當于30個足球場，預計2013年投入使用。FAST將主要用于探索宇宙邊緣的信息，揭示宇宙早期演化的秘密，也可作為高靈敏度被動雷達對空間目標，包括衛星、空間碎片等進行監視和成像。
　　我國還將于近期發射一枚“硬X射線調制望遠鏡”(簡稱HXMT)。所謂硬X射線是指能量較高的X射線，其波長在0.01～0.1納米之間。波長在0.1納米以上的則稱為軟X射線。這架硬X射線望遠鏡將有利于探測黑洞等大質量天體在一定條件下爆發出的X射線，可望填補硬X射線領域上的國際觀測空白。展望21世紀，探索宇宙奧秘的“中國視線”將令舉世期