打開宇宙窗口的望遠鏡
天文學(xué)的歷史從某個角度上說就是天文望遠鏡發(fā)展的歷史。1609年，大科學(xué)家伽利略制造了天文望遠鏡（后被稱為伽利略望遠鏡），通過這個望遠鏡，他發(fā)現(xiàn)了月球表面的凹凸不平，還先后發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星、土星光環(huán)、太陽黑子、金星和水星的盈虧現(xiàn)象，以及銀河是由無數(shù)恒星組成等等。這些發(fā)現(xiàn)開辟了天文學(xué)的新時代。
從此之后，天文望遠鏡一直是推動天文學(xué)的進步的強大助力。許多重大天文發(fā)現(xiàn)背后都有某個天文望遠鏡在默默貢獻著力量，英國天文學(xué)家威廉·赫歇爾發(fā)現(xiàn)了天王星用的是自制的望遠鏡；而美國天文學(xué)家哈勃正是借助了當時最先進的100英寸胡克天文望遠鏡，第一次發(fā)現(xiàn)了銀河系之外還有無數(shù)璀璨的星系，而且這些星系正在迅速遠離我們，證實了宇宙正在膨脹。
隨著科技的發(fā)展，天文望遠鏡也在變得更大更強。到了今天，天上地下都有各顯神通的天文望遠鏡在運行，而且早已不再局限光學(xué)望遠鏡了。我們知道，天體發(fā)射的電磁波從頻率最高、波長最短的γ射線、X射線到頻率最低、波長最長的長波，無所不包，且各個波段的電磁波各有特點，因此，γ射線望遠鏡、X射線望遠鏡、紅外望遠鏡等紛紛出現(xiàn)，為我們打開了一扇又一扇的宇宙窗口，展現(xiàn)了宇宙多彩多姿的風貌。
這些繁復(fù)多樣的天文望遠鏡，它們各自的特點和功能是什么？下面就讓我們一一道來。
系外行星獵手——開普勒探測器
傳統(tǒng)的光學(xué)波段的望遠鏡仍是天文望遠鏡的主流，由美國航空航天局研制、2009年升空的開普勒探測器是其中的佼佼者。開普勒探測器的主要目的是搜索太陽系外的行星，尤其是那些和地球類似的行星，以尋找是否有外星生命存在。
行星是不發(fā)光的，我們?nèi)绾文芡ㄟ^望遠鏡找到遙遠“太陽系”中的行星呢？當其他“太陽系”的行星軌道平面正好落在我們的視線方向上，從“側(cè)面”看過去，那里的行星運行到宿主恒星之前時，就會遮住一部分星光，這時恒星的亮度看上去發(fā)生了微弱的變化，這種現(xiàn)象就叫做“凌星”。行星繞恒星每轉(zhuǎn)一圈，就會遮掩一次光，如果觀測時間足夠長的話，就能發(fā)現(xiàn)恒星的亮度按照固定的周期減弱的。所以，如果能觀測到某個恒星出現(xiàn)了這種現(xiàn)象，就可以推測出它帶有行星。
為了能敏銳地發(fā)現(xiàn)凌星現(xiàn)象，開普勒探測器必須具備分辨恒星非常細小的亮度變化的能力。它通過望遠鏡的光學(xué)系統(tǒng)把星光聚集在由42塊CCD（光電耦合器件，用來把光信號轉(zhuǎn)化為電信號）組成的光度計上，能夠分辨出極遙遠恒星被其行星遮住時亮度發(fā)生的變化。另外，開普勒探測器也必須要連續(xù)監(jiān)視一塊天空才能發(fā)現(xiàn)凌星，為了防止太陽擋住視線，它并沒有選擇繞地軌道，而是被送到了地球與太陽相對的背面的一個點上，這個點與太陽、地球一起形成一條直線，是地日引力系統(tǒng)的一個平衡點（叫做拉格朗日點）。在這里不但不受太陽影響，還不受地球引力或大氣等的干擾，非常理想。
到現(xiàn)在，開普勒已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多顆太陽系外行星，天文學(xué)家希望借助它的力量，能夠有朝一日找到像地球一樣適宜生命居住的行星。
更強大的光學(xué)望遠鏡
開普勒探測器都是依靠行星對恒星產(chǎn)生的各種影響來發(fā)現(xiàn)它們的，很少能對行星進行直接觀測。因此，科學(xué)家們正在研制具有更強大集光能力和分辨率的光學(xué)望遠鏡——巨型麥哲倫望遠鏡，以期可以直接分辨出恒星旁邊的行星。
巨型麥哲倫望遠鏡是美國和澳大利亞等國的9所大學(xué)和研究中心合作的項目，計劃安放在智利拉塞雷納附近的拉斯坎帕納斯天文臺，現(xiàn)在正在美國亞利桑那大學(xué)的足球場內(nèi)進行建造。它由主鏡和副鏡組成，其主鏡由7塊直徑8.4米的圓形鏡片組成，每一塊的個頭都趕上了過去那些望遠鏡的整個主鏡。這樣組合起來的整個主鏡口徑達到了24.5米，使它將擁有10倍于哈勃望遠鏡的分辨能力。它的副鏡也是最先進的，形狀是可以隨時改變，以消除大氣的抖動對望遠鏡成像觀測的影響。
巨型麥哲倫望遠鏡強大的集光能力和分辨率，使得它有能力直接觀測到那些圍繞著其他恒星運轉(zhuǎn)的行星，這對于太陽系外行星的研究將起到非常大的推動作用。此外，巨型麥哲倫望遠鏡還會幫助天文學(xué)家研究星系的形成、暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)、宇宙的最終命運等重大問題。
望遠鏡當然是口徑越大越好，主鏡面積越大，集光能力就越強，分辨率就越高，就能看到更暗的天體?？茖W(xué)家們正在雄心勃勃規(guī)劃建造一個比巨型麥哲倫望遠鏡口徑更大的望遠鏡——30米口徑望遠鏡，整個主鏡將有492塊小鏡片組合而成，每個小鏡片都能夠隨時變換形狀和位置。它的觀測目標與巨型麥哲倫望遠鏡相似，但比巨型麥哲倫望遠鏡看得更深、更遠。
穿透星際塵埃的紅外望遠鏡
上述的望遠鏡都是光學(xué)望遠鏡，是通過可見光線來觀測天體的，但是可見光只是電磁波中極窄的一個波段，波長集中在380～780納米之間，在這個波段之外，那些功力強大的望遠鏡也沒法接收了。這時，其他波段的望遠鏡登場了。
與可見光相鄰、比可見光波段更長的是紅外線，紅外線波長在0.78微米～1毫米之間，任何溫度高于絕對零度（-273.15℃）的物體物體都在不停地輻射紅外線，溫度較高的恒星除可見光之外也會發(fā)出紅外線，而溫度較低的氣體塵埃同樣會發(fā)出紅外輻射。因此，紅外線望遠鏡能穿透濃密的星際氣體和塵埃，獲得更多光學(xué)望遠鏡得不到的信息。
即將于2013年升空的詹姆斯·韋伯空間紅外望遠鏡，主鏡由18塊六邊形鏡片拼接而成，總面積有25平方米，相當于6米口徑的圓形主鏡，其功能和性能遠遠超過了以前的紅外望遠鏡。
韋伯空間望遠鏡專注于紅外波段，在天文學(xué)家的手中將會發(fā)揮極大的作用。第一代恒星和星系的出現(xiàn)讓宇宙從黑暗時代中走出，但隨著宇宙的膨脹，第一代恒星離我們越來越遠，發(fā)出的光越來越遠，韋伯望遠鏡有著強大的集光能力，所以可以看到宇宙更深處，正適合擔負觀測宇宙第一代恒星的職責。
韋伯望遠鏡還是研究恒星形成的利器，恒星在形成的時候被包裹在可見光無法穿透的星云中。韋伯望遠鏡可以透過濃密的氣體和塵埃，得到分辨率極高的恒星照片。而環(huán)繞在新生恒星周圍的氣體盤同樣是它觀測的對象，這些氣體盤是行星的雛形，可以幫助天文學(xué)家研究行星形成。另外星際氣體中的有機分子也會發(fā)出紅外輻射，因此，韋伯望遠鏡的觀測有助于科學(xué)家們探尋生命真正的起源。
紅外輻射來源實在太普遍了，甚至望遠鏡儀器本身也會發(fā)出紅外線干擾觀測，所以紅外望遠鏡必須保持極低的溫度。為了減少太陽的影響，韋伯望遠鏡也會被送入地球背面的拉格朗日點。另外它還裝有巨大的多層遮光板，以隔絕來自太陽和地球的輻射。這樣望遠鏡可以維持在30到50開的低溫，從而順利對宇宙進行紅外觀測。
世界上最大的望遠鏡陣列
對紅外線波段之外的毫米和亞毫米波段的宇宙觀測，科學(xué)家同樣正在研制大型望遠鏡，正在規(guī)劃中的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列，將被建在智利境北部海拔5000多米的高原上。陣列由66座大型毫米波/亞毫米波天線組成，預(yù)計在2012年建成，將成為世界上最先進的射電望遠鏡。
阿塔卡馬陣列所觀測的毫米和亞毫米波段指的是波長幾百微米到大約1毫米間的電磁波。這個波段的觀測可以與紅外波段的觀測結(jié)果互相參照，幫助天文學(xué)家觀測一些讓可見光無能為力的天體，例如星際塵埃和氣體，另外還有第一代恒星恒星和星系。宇宙在大爆炸中誕生之后，曾經(jīng)歷過一段黑暗時期，在這之后誕生的第一代恒星和星系才逐漸把宇宙照亮。不過經(jīng)歷了幾十億年之后，隨著宇宙的膨脹，這些天體發(fā)出的光，波長被不斷拉長，已經(jīng)從γ射線波段被拉到了亞毫米波段，而專門負責觀測這個波段的阿塔卡馬陣列將會幫助天文學(xué)家研究這些最早照亮宇宙的先行者們。
毫米和亞毫米波段的輻射會被大氣中的水蒸氣吸收，所以阿塔卡馬陣列的地址選在了智利的高原上，這里空氣稀薄且干燥，是全世界最好的天文觀測地址。單面天線的分辨率可以達到1/3600度，相當于在15千米之外辨認出一個高爾夫球。但這其實還遠遠不夠，陣列的真正威力在于把不同的天線接收到的信號結(jié)合起來，相當于一個接受面積等于它們之和的超級射電望遠鏡，而分辨率也會大大提高。
觀測宇宙劇烈活動的高能望遠鏡
上面介紹的是觀測比可見光波段更長的望遠鏡，比可見光波段更短的電磁波，比如紫外線、X射線、γ射線等都會被地球大氣反射出去，因此只有在航天運載能力大力發(fā)展后，這些超短電磁波的天文觀測才發(fā)展起來。
紫外波段是介于X射線和可見光之間的頻率范圍，現(xiàn)代紫外天文學(xué)的觀測波段為10～310納米。紫外觀測要放在150公里的高度才能進行，以避開臭氧層和大氣的吸收。如今，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)展了極端紫外、遠紫外、紫外等多種探測衛(wèi)星，覆蓋了全部紫外波段。
比紫外線波長更短、能量更高的X射線的波段范圍是0.01-10納米。天體的X射線是根本無法到達地面的，因此X射線望遠鏡只能通過運載火箭或航天飛機向太空發(fā)射。1999年由美國哥倫比亞號航天飛機發(fā)射的錢德拉X射線太空望遠鏡就是一臺功能強大的望遠鏡，它收集來自宇宙深處的高能X射線，觀測黑洞吞噬、星系碰撞、超新星爆炸等劇烈的天體活動，已經(jīng)獲得了不菲的成果，尤其是觀測到了大量的超新星爆發(fā)的壯觀場面。
γ射線比X射線的波長更短、能量更高。2008年，美國宇航局的費米γ射線空間望遠鏡發(fā)射升空，它以從未有過的深度把高能宇宙詳盡地展現(xiàn)在了世人的面前。它觀測了不同年齡的脈沖星、γ射線暴以及幾十億光年遠的星系中巨大黑洞的爆發(fā)，為我們展現(xiàn)了宇宙最劇烈的一面。
如今，天文望遠鏡已經(jīng)發(fā)展到全波段觀測，這些望遠鏡從多個層面為我們展示了巨大、深遠的宇宙風貌，記錄了那些激動人心的宇宙事件，使我們小小的人類竟然能一窺宇宙的全景，描繪它的來龍去脈。
