望远镜对天文学的贡献毋庸置疑，没有望远镜，人类的目光是太短浅了。人类观天的能力随着望远镜技术的改变而进步。伽利略用望远镜研究太阳系的行星和他们的卫星；赫歇尔家族用望远镜探测银河系并记录下几万颗星星，建立了天文学发展的基础；哈勃用望远镜观测到4万多个 “河外星系”，大大扩展了人类对宇宙的新视野！
天文望远镜一直沿用至今，不过，现代的天文望远镜已经今非昔比。除了望远镜本身的光学技术不断改进，精度不断提高之外，更重要的是，科学家们充分地利用现代航天技术，将望远镜建造在太空中，称之为“太空望远镜”或“空间望远镜”。
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为什么要将望远镜的位置上升到太空的高度呢？是为了摆脱大气层对观测的干扰。地球被厚厚的大气包围着，这对人类的健康是至关重要的，使人类免受有害辐射的危害，但与此同时，地球大气层也阻碍我们观测天象。大气层对来自天外的辐射是选择性地吸收，只有可见光和某些频段容易通过。此外，即使在可见光范围内，大气层的散射也会导致我们没办法看到太远的星系，因为它们比大气层自身的光都要暗。这也是为什么一般都将天文台建立在高山上的原因。
现代天文观测将望远镜的工作频率范围从可见光扩展到了伽玛射线、X射线、紫外线、红外线、无线电波等等。
比如，美国航天局大型轨道天文台计划包括的4颗大型空间望远镜：哈勃望远镜、康普顿γ射线天文台、钱德拉X光天文台、斯皮策空间望远镜，分别工作在可见光和紫外线、伽玛射线及硬X射线、软X射线、红外线、这些不同的波段，取得了一定的成果。
钱德拉X光天文台拍下的图片。图片来自网络
钱德拉X射线天文台发现了中等质量黑洞存在的证据，观测到了银河系中心超大质量黑洞人马座A的X射线辐射。哈勃望远镜提供的高清晰度光谱也证实了银河系中心超大质量黑洞的存在，并且遍及宇宙各星系。有关黑洞，我们在后面还将介绍。
哈勃望远镜
哈勃望远镜以美国著名天文学家爱德温·哈勃（Edwin Hubble，1889年－1953年）命名。哈勃被后人誉为“星系天文学”之父。他确定了数万个河外星系，为天文学开辟了一个新的发展方向：测量宇宙学。
哈勃望远镜和哈勃一样，为天文学立下大功。哈勃总长度16米左右，近似于两辆大型的双层巴士。但是，它的望远镜头听起来好像并不那么风光：它是一个小个头的望远镜，主镜直径2.4米。大家都知道天文望远镜的口径大小是一个重要参数，如今许多放在高山之巅的望远镜直径都是8米乃至10米，哈勃望远镜与这些大块头比起来太不起眼了。不过它的优势是位于太空，它就是一颗人造地球卫星，以每秒7,500 米的速度，绕高度为559 千米的低地球椭圆轨道运行，97 分钟就能绕地球一圈。位于太空的优势是无大气散射造成的背景光，还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。因此，于1990年发射之后，哈勃望远镜已经成为天文史上最重要的仪器。
哈勃。图片来自网络
哈勃的主要任务之一是更加准确地测量各星系的距离及速度，从而能够更为准确地确定哈勃参数的数值范围。哈勃参数的概念是爱德温·哈勃引进的，用以表示来自遥远星系的光谱红移与它们离观测者距离的比值。
光谱为什么会红移呢？多普勒效应对其给出最简单直观的解释。根据我们日常生活中的经验，当火车驶近我们时，汽笛声变成尖叫声（频率增大），而当火车远离我们而去时，声音则变得更为低沉（频率减小）。对光波而言，红光是可见光中频率最低的，“红移”为正值意味着频率变低，即星系远离我们而去。红移的测量是天文学家们常用的手段，既能用以测量星系的距离，也能用来测量星系的速度。但距离还有各种其它的测量方法，诸如利用观测造父变星、超新星爆发等。因此，红移值便表明了星系离开我们的速度。当年，爱德温·哈勃对大量星系测量的结果，总结出一条哈勃定律：v = H0·D。
其中v是星系速度，D是星系距离， H0则是哈勃参数。哈勃定律的意思就是说，星系飞离的速度与其距离成正比，离得越远的星系飞离得越快。这个结论给出宇宙正在膨胀的图像，之后成为支持宇宙起源大爆炸理论的一个重要证据。由此而见，哈勃参数的测量对研究宇宙的起源、演化、年龄等问题十分重要。哈勃望远镜升空后，将哈勃参数的测量误差从50%提高到10%以内，并与其他技术测量出来的结果基本一致。之后，1998年，三位物理学家索尔·珀尔马特、布莱恩·施密特和亚当·里斯，透过观测（不仅仅限于哈勃）遥远的超新星而发现了宇宙不仅在膨胀，而且正在加速膨胀。三位学者因此而荣获2011年诺贝尔物理奖。
图15-1：哈勃深空和哈勃超深空的拍摄位置
除了更精确地测定哈勃参数之外，哈勃太空望远镜升空二十多年来，传回了大量珍贵的天文影像，例如“哈勃深空”和“哈勃超深空”等。
当我们将望远镜的镜头指向空中的某一个方向时，例如图15-1所示的哈勃深空和哈勃超深空拍摄方法，我们会看到很多颗星星。这些星星距离我们有远有近，因为光的传播需要时间，所以我们看到的星星并不是它们当前的模样！就像我们白天抬头看到的太阳，是8分钟之前的太阳，晚上看见的月亮是1.28秒之前的月亮。延迟的时间是8分钟或1.28秒，都是小事一桩，我们习惯于将它们就当成是“现在的”太阳月亮，实际上这段时间也很短，太阳月亮基本上也没发生什么大的变化。但是，如果我们将这个概念用于遥远的星球，就会得到一些有趣的结论。也就是说，我们看见的是这个星星的“过去”，或者是这个位置上“过去”的星星！ 八分钟前的“过去”不必大惊小怪，但10年，千年，亿年前的“过去”，那就非同小可了！
哈勃望远镜。图片来自网络
人类从地面上用肉眼观察天象，看到的也是星星的过去。不过，一来我们的眼睛测量不了星星的距离，不知道是多久前的“过去”，二来，人眼观测能力有限，太暗淡的星星就看不见了。而哈勃望远镜得以在无光害，无大气干扰的外太空中观测宇宙天体，能更精确地捕捉人类肉眼无法辨识的微弱星光，使得人类探索宇宙的眼睛有了更广阔的视野。换言之，如哈勃这样的太空望远镜，能够穿越时间的隧道，去探索宇宙遥远的过去。
哈勃深空（HDF）便是一张由哈勃于1995年所拍摄的夜空影像。拍摄位置在大熊座中一个很小的区域（仅144角秒）。图15-1a显示了拍摄镜头所指的位置，我们没有展示NASA发布的照片，因为肉眼是很难从这样的影像中看出名堂的，不过看到一些密密麻麻各种亮度的星星而已。整张影像是由哈勃望远镜进行342次曝光叠加而成，拍摄时间连续了10天。HDF所包含的区域几乎没有银河系内的恒星，可见的3,000多个物体全部都是极遥远的星系。
图15.2：哈勃深空深入“过去”
继拍摄了哈勃深空之后，1998年，又以类似方式拍摄了哈勃南天深空。2003年拍摄的哈勃超深空（HUDF），拍摄位置见图15-1b，进行了113天的曝光，影像中估计有10,000个星系，显示的是超过130亿年前的“过去”。2012年，NASA又公布了一张哈勃极深空（XDF）。这些是天文学家目前用可见光能获得的最深入的太空影像。
这些深入“过去”的照片，到底深入到了什么年代呢？根据大爆炸理论，宇宙现在的年龄是137亿岁，对应于图15.2中最右边哈勃望远镜目前所在的位置。图15.2最左边表示宇宙的起点，大爆炸及早期宇宙演化，之后，产生了第一代恒星，第一代星系，现代星系形成，再后来，星系群、星系团、超星系团等大尺度结构形成……。图中可见，哈勃超深空深入到了大爆炸后6亿年左右。
詹姆斯·韦伯太空望远镜
2016年，哈勃望远镜就已经26岁了，稍微老旧了一点，特别是其上的电子仪器，显然已经落伍。不过美国航天局已经为它安排了接班人：韦伯太空望远镜（JWST），实际上是由美国国家航天局（NASA）、欧洲空间局（ESA）与加拿大宇航局（CSA）联手打造的。望远镜的研制工作已经进行得差不多了，计划2018年升空。其实这个望远镜与哈勃大不相同，首先，哈勃的工作频率以可见光为主，延伸到近红外和近紫外，而JWST则集中于红外线波段，它用更大的镜片聚光，见图15-3a，以拍摄到太空远处的照片，希望能比哈勃极深空再深入下去。
图15-3：詹姆斯·韦布空间望远镜
哈勃深空到极深空的几张宇宙“过去”影像，使天文学家和宇宙学家们兴奋，也大大加强了他们研究宇宙起源、恒星演化、星系形成等的信心。因此，韦伯望远镜的主要科学目标之一便是宇宙早期形成的第一批恒星和星系。为此目标，JWST在红外波段工作，因为在第一代恒星和星系初生的年代传播到现代，可见光或紫外线已被红移到了红外区域。而红外线的波长更长，使得需要更大的镜面来达到更高的分辨率。韦伯望远镜主镜直径6.5米，几乎是哈勃直径的3倍。主镜由铍制成，镜片上涂上一层厚度仅为头发千分之一的金，主镜包括18块6角形镜片，在发射时折叠起来，升空安置好之后再打开。
韦伯望远镜比较特别的是它的轨道。它不是像哈勃那样绕着地球转圈，而是位于太阳-地球系统的拉格朗日点L2上，有关拉格朗日点，请参考本书前面章节（第9回 三体运动生混沌 引力助推荡秋千）。
简单而言，那个位置是第二拉格朗日点L2，见图15-3b。在两个大质量质点和一个微小质量质点的简化三体问题中，有5个点可以让小质量天体稳定运行，这5个点被称作拉格朗日点。L2点就是其一。
JWST。图片来自网络
哈勃离地高度不过600公里，JWST的位置却距地球约 150万公里，比它的前任离地球远得多。2018年，韦伯升空后的景象是这样的（图15-3b）：哈勃应该仍然在绕着地球转小圈，仍然不停地发回大量照片；而在地球背对太阳的一方，韦伯背朝着地球，孤零零地飘荡在L2点上，在那里，它比哈勃更远离地球与太阳的干扰，能够更方便地窥探深空，朝宇宙的起点望去，望到天的尽头！
哈勃望远镜已经将人类的目光延伸到了离地球130多亿光年之遥的地方，航天器才只飞到了光线17小时旅行的距离，两者之比例比“龟兔赛跑”故事中的兔子和乌龟同时间内经过的距离之比不知道大了多少倍。不过，乌龟虽慢也有其一技之长，兔子跑得太快不一定看得清楚，真真假假虚虚实实，还等待乌龟身临其境去加以验证呢。因此，我们还是将眼光从宇宙中暂且收回到更近的距离。
太空望远镜并不是都要望到宇宙深处，它们观测的目标有远有近，工作波长从无线电到伽马射线，观测的天体各种各样，诸如太阳黑子活动、脉冲星、双星、红巨星、超新星爆发，
活动星系核、等等。我们下面将要介绍的，天文观测到的第一个黑洞，也是太空望远镜的功劳。不过首先有必要补充一些有关引力与黑洞的基本知识。诸位且听下回分解。
（摘自《揭秘太空：人类的航天梦》，作者：张天蓉）