我們的目標是星辰大海（下）

上一期我們了解了人類為什么要發射望遠鏡到宇宙中去，本期我們將看到，我國即將發射的巡天空間望遠鏡如何超越哈勃望遠鏡，以及它能給人類帶來哪些期待。

如何超越哈勃望遠鏡

服役超過30年的哈勃望遠鏡是一臺能夠在很小的視野范圍里，非常精細地觀察天空的太空望遠鏡。怎樣才能夠超越它，利用太空望遠鏡仰望更遠處的星空，更多地探索宇宙呢？

有兩種思路。一種是建造更大口徑的望遠鏡，這樣可以看得更深，獲得更暗弱天體的信息，預定在今年發射的6.5米口徑的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡就采取了這一思路。另一種思路是建造可以觀察更廣闊天區的望遠鏡，以更高的效率，更系統地去研究宇宙，這種望遠鏡一般被稱作巡天式望遠鏡。我國即將發射的巡天空間望遠鏡采取的就是這種模式。

巡天空間望遠鏡是一臺主口徑為2米的望遠鏡，整體大小大概像一輛大巴車。它將與天和空間站共軌飛行，而非對接在空間站上。為什么不對接在空間站上呢？因為空間站會抖動，而且空間站很亮，會影響望遠鏡拍照。但是，巡天空間望遠鏡也可以回到空間站，與空間站對接，以便進行更新、升級儀器等操作。巡天空間望遠鏡大概會在2024年前后投入運行。

按照科研人員的設計，巡天空間望遠鏡的整個生命周期大概是10年，計劃拍攝60萬次照片，并將全天超過三分之一的圖像傳送回地球，供全世界所有的科學家進行研究。

巡天空間望遠鏡可以做什么

在過去，所有的精測望遠鏡只能看到一兩個星系，而有了巡天空間望遠鏡，人類將能看到成千上百倍的范圍。很多現在看來奇怪的、稀少的天體，在巡天空間望遠鏡的時代都會被大量觀察到，我們將看到很多碰撞的星系、發生恒星爆發的星系，以及正在進行劇烈活動的星系……

因為巡天望遠鏡視場面積很大，我們還可以看一些很大的東西，比如一個近鄰的星系。借助巡天空間望遠鏡，可以一下子把整個星系拍攝到照片里，供科學家進行研究。還可以拍攝一些星系團。這些星系團是宇宙里最大的結構，包括成百上千個非常明亮的星系。過去哈勃望遠鏡花了巨量的時間極其精細地拍了其中的6個，稍微不那么精細地拍了幾十個。未來，會有數萬個這樣的星系團被巡天望遠鏡觀察到。

但巡天望遠鏡要做的最重要的一件事情，不是去看宇宙中的明亮的天體，而是試圖去看宇宙中那些看不見的東西，也就是暗物質。

在宇宙中，暗物質的總質量是普通物質的5倍以上。暗物質不發光，也不和普通物質發生相互碰撞。那么，怎么去看到這些看不見的物質？巡天望遠鏡將會觀測一種叫作引力透鏡的效應。所謂引力透鏡并不是一個真的透鏡，而是把宇宙中的一些天體當成透鏡來研究宇宙。

假設遙遠的宇宙中有一顆恒星，或者有一個星系，它發出了光。在這個光線行進的路徑上存在著各種各樣的其他天體，這些天體的存在會使得宇宙的空間微微的彎曲。這是愛因斯坦在廣義相對論中描述的一個效應：因為質量的存在，使得宇宙發生彎曲。天體的質量很大，就可以使宇宙的空間彎曲得稍微厲害一點兒。隔著彎曲的空間去觀察更遙遠處的宇宙，遠處星系的形態就會微微變形。

我們不妨把自己想象成魚缸里的魚，透過魚缸去看外邊的世界，世界實際上是有扭曲的。只是扭曲的程度非常輕微，所以我們一般感覺不到。但是，當我們有了巡天空間望遠鏡海量的精確的星系圖像，我們就可以去測量每一個星系的形狀，測量出每一個星系到底是圓的還是橢圓的？如果是橢圓的，到底有多橢？

如果宇宙中沒有暗物質、物質的話，這些星系的形狀會是隨機分布的。有的胖一點兒，有的扁一點兒，有的朝東，有的朝西。但如果存在引力透鏡效應，那么這些星系的形狀、擺向就不那么隨機了。如果在一個小的天空區域里去平均這些星系的形狀，就會發現有一個殘余。這個殘余就標志了引力透鏡效應的存在，也就能幫助人類去尋找暗物質。

所有的星系都處在不同的距離上，天文學家按照距離把它們進行分類。越遠距離的星系發出來的光，到達地球所用的時間就越長，人類所看到的就是越早時期的圖像。當把宇宙中所有的星系進行分類，并測量形狀之后，科學家就可以做到一件很厲害的事情：把宇宙的物質結構的演化做出來。

什么叫物質結構的演化呢？物理學家認為，在最早期的時候，宇宙各個地方的密度是完全均勻的。宇宙中沒有恒星、星系，它們都是后來演化出來的。巡天空間望遠鏡將通過60萬次的曝光，將三分之一的宇宙天空的圖像記錄下來，而且圖像都有非常高的畫質。這樣的能力，使得我們有辦法去研究宇宙物質的演化——不僅是可見的宇宙，還包括我們看不見的宇宙。

此外，巡天空間望遠鏡還搭載了豐富的精測儀器。有的儀器可以幫人類觀察星系中的碳元素;有的儀器可以觀測恒星周圍有沒有行星在圍繞著它們轉;具備精測能力的相機，可以拍攝小視場的、非常精確的圖像;還有一種非常有意思的儀器叫作積分視場光譜儀，它可以把一個星系每一個位置都拍一條光譜，這條光譜會告訴我們星系在這個位置上的各種各樣的物理信息。

當這些豐富的精測儀器和巡天相機拍攝的圖像結合到一起的時候，科學家就有能力從一個小的尺度到一個極廣大的尺度去了解宇宙，從地外行星，到恒星，再到星系……一直到宇宙全景。

中國載人航天工程巡天空間望遠鏡將是中國天文學邁向國際領先的巨大機遇。如果說哈勃望遠鏡用高清晰的圖像為人類掀開了宇宙的一角，那么巡天空間望遠鏡將會給人類帶回整個宇宙的高清晰全景圖像。屆時普通公眾也可在網絡上訪問巡天空間望遠鏡拍攝到的美麗圖片，直觀地感受宇宙的浩瀚和美麗。

（注：本文根據中國科學院國家天文臺研究員李然的相關文章整理，有刪節）