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NO.2579-观测宇宙神器
文字：行星不发光
校稿：辜汉膺 / 编辑：蛾
航天之父康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基说过： “地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。”
人类在地球上已经生活了600万年，我们的摇篮也一点点扩大，从一个聚落、一片大陆到整个星球。但和浩瀚的星辰大海相比，又如此的渺小。
从远在拉格朗日点的 詹姆斯 · 韦伯望远镜 ，到藏在贵州深山里的 中国天眼 。为了准确、全面地观测宇宙，人类一直在不断改进望远镜。
本文将简要盘点一下目前 仍在运行的宇宙 观测神器 。
哈勃天文望远镜
(Hubble Space Telescope，HST)
哈勃天文望远镜 于1990年4月24日发射升空，并运行至今。其轨道位置为 低地球轨道，目前位于地表上方535公里处。
哈勃锁定目标非常准，相当于能把激光准确照射在320公里外的硬币上 。哈勃可全天区范围观测，可观测波段为可见光波段和紫外波段。
▲图注： 以“星系天文学之父”埃德温·哈勃为名
（图：wikipedia）
哈勃主要的科学发现和科研产出有：
1 .测量了宇宙中不同天体的距离，对于建立宇宙距离尺度非常重要；
2 .观测到了宇宙的膨胀速度正在加速，为研究暗能量的存在和性质提供了证据；
3 .观测到了远古星系的形成和演化过程，为研究宇宙早期提供了宝贵数据；
4 .通过观测星系和星团的引力透镜效应，发现了暗物质的存在；
5 .观测到许多星系中心存在超大质量黑洞；
6 .观测了宇宙背景辐射；
7 .发现了柯伊伯带中的天体和观测了外太阳系行星和其卫星；
8 .观测到许多系外行星，发现了一些类地行星。
9 .通过观测星云和年轻恒星，深入了解了恒星的形成过程。
迄今为止，哈勃望远镜已经进行了 超过150万次观测，总存档数据超过340TB，天文学家使用哈勃数据发表了19000多篇科学论文。
▲图注： 多年来，哈勃望远镜拍摄的佳作不少
比如，这张2014年版“创生之柱”
▲图注： 再比如，Westerlund 2，绚烂如烟火
詹姆斯·韦伯空间望远镜
(James Webb Space Telescope, JWST)
韦伯空间望远镜 原计划于2007年发射，但一直推迟到2021年12月25日。它是 NASA、欧洲太空总署(ESA)和加拿大航天局(CSA)的合作项目。
▲图注： 韦伯空间望远镜，长这样（底图：wiki）
其轨道位置为 日地系统的拉格朗日L2点，距离地球至少150万公里，L2点可以保持背向太阳和地球的方位，易于校准和保护，而且在远离太阳的一侧，所以有利于红外观测。
韦伯的特长在红外观测，它能够看到更多，更老的恒星和星系 。但L2轨道是不稳定的，需要动力维持望远镜姿态和位置，目前韦伯携带的推进剂足够使用10年，所以它的任务目标时间就是10年。
▲图注： 测试中的韦伯主镜，科幻感爆棚（图：wiki）
韦伯的主要科学目标是：
1 .主要的任务是观测今天可见与宇宙的初期状态；
2 .寻找宇宙大爆炸后形成的第一批恒星和星系的光；
3 .研究星系的形成和演化；
4 .研究恒星形成，行星系统的演化过程和生命的起源。
韦伯空间望远镜的发现 包括但不限于 首次 直接拍摄系外行星、发现有史以来 最遥远 的星系、详细观测了系外行星的大气层和星系碰撞时的恒星形成等，其中还包括前不久拍摄到的一个问号形物体，引起了人们的极大关注。
▲图注： 韦伯望远镜拍摄的船底座星云部分图像
（ 横屏 ，图：NASA's JWST）
▲图注： 韦伯望远镜2022年拍摄的南环星云
犹如一块嵌在黑色丝绒上的蓝宝石
（图：NASA's JWST）
盖亚任务
(Gaia)
盖亚任务 是 欧洲太空总署的太空望远镜， 致力于绘制一张精确的银河系三维星图 。该任务于2013年12月19日发射升空，运行至今，正在观测银河系内外近20亿个星体。其轨道位于日地系统的拉格朗日L2点。
Gaia任务包含两个望远镜，它们以固定的广角进行观测，对观测范围内的每个天体平均观测 70次，时长持续5年。观测波段为可见光。
▲图注： 工作中的盖亚，想象图（图：wiki）
Gaia的主要科学产出有：
1 .测量我们太阳系的加速度；
2 .改进近地小行星的轨道；
3 .改进恒星掩星阴影轨道预测；
4 .发现了更多的稀有恒星、超高速恒星、新小行星和系外行星，揭示了太空中的气态结构；
5 .揭示银河系在早期(大约在100亿年前)可能与另一个大星系并合后形成；
6 .推测银河系“厚盘”部分在130亿年前开始形成，距离大爆炸仅8亿年；
7 .白矮星随着内部的冷却，会变成固体球体。
在Gaia观测到的天体中， 超过99.9%的天体从未被精确测量过距离 。预计盖亚任务结束时，存档数据将超过1PB。
▲图注： 使用盖亚第三阶段资料绘制的四张图
（图：ESA / Gaia / DPAC）
“悟空”暗物质粒子探测卫星
(Dark Matter Particle Explorer, DAMPE)
暗物质粒子探测卫星是我国第一个空间天文探测器，命名为“悟空” 。由中科院紫金山天文台主导，于2015年12月17日发射。
悟空号的轨道类型为 太阳同步轨道，轨道高度约为500公里。原计划运行寿命为3年，但自从2015年发射后， 至今 仍在服役 ，而且工作状态良好。悟空号共计搭载了四种不同的有效载荷，结构如下图。
▲图注： 悟空号卫星的科学载荷结构示意图
（底图：紫金山天文台）
其主要科学目标是 暗物质间接探测，次要目标是寻找宇宙射线的起源和伽马射线天体物理研究，主要科学产出有：
1 .2017年，首次在1.5TeV处观测到了明显超出的峰值；
2 .给出了从40 GeV到100 GeV能段的宇宙线质子精确能谱测量结果，发布了25 GeV和4.6 TeV之间正电子光谱的精确测量结果；
3 .“悟空”号卫星530天的运行共计记录到28亿个宇宙线粒子, 科学家从中筛选出了约150万个高能量的电子, 测量出了这些电子的能谱分布。揭示出电子能谱存在的一处拐折和一处可能的尖峰结构；
4 .记录到明显增强的伽马射线爆发现象，这一爆发在12月16日达到了峰值；
5 .测量得到的两个最亮脉冲星的伽马周期在1GeV-100GeV的能量范围；
6 .揭示了电子和正电子的通量出人意料的形状。
悟空号在 暗物质间接探测方面，具有较强的国际竞争力。
宽视场红外巡天探测卫星
(Wide-field Infrared Survey Explorer, WISE)
WISE是NASA在2009年发射的 空间红外望远镜 ，运行期间共对约158000颗小行星进行了观测，其中包括约34000颗新发现的小行星。
该望远镜的四个工作波长分别为 3.4，4.6，12和22微米，分别记为W1，W2，W3和W4。到2011年2月，固态氢全部耗尽，望远镜进入 休眠状态 。
▲图注：2 010年，WISE拍摄的C/2007 Q3
（图：wikipedia）
▲图注： WISE拍摄的图像（图：NASA）
2013年8月，WISE 被唤醒，继续使用W1和W2波段进行巡天观测， 并更名为NEOWISE，用于 探测近地小天体 。
截止2022年4月，NEOWISE共对40700个太阳系天体进行了 超过120万次红外测量 ，包括1380颗近地小行星和246颗彗星，其中发现了347颗潜在危险小行星和34颗彗星。
NEOWISE位于太阳同步轨道，距离地表525公里，主要任务包括：
1 .搜索近地小行星，为地球撞击威胁评估提供数据； 2 .观测彗星； 3 .研究小行星族群； 4 .测量小行星的大小分布和反照率。
▲图注： C/2020 F3，于2020年被NEOWISE发现
（图：wikipedia）
凌日系外行星巡天卫星
（Transiting Exoplanet Survey Satellite, TESS）
系外行星凌星巡天卫星是一颗由 NASA开发， 专门用于 探测系外行星的 望远镜，又被称为“苔丝”。
TESS的轨道位于 高地球轨道 ，为高椭圆轨道，其偏心率为0.55，近地点和远地点的距离分别约为10.8 万公里和37.3万公里。该轨道可以获得 天空南北半球的无遮图像。
▲图注：T ESS绕地球运行，想象图
（图：shutterstock）
TESS于2018年4月18日发射升空，预设的主要任务为2年，至今 仍在运行 。截止2023年8月，TESS发现了373颗已确认的系外行星。
▲图注： TESS，启程（图：wiki）
中国巡天空间望远镜
(China Space Station Telescope, CSST)
CSST将是中国第一个光学空间巡天望远镜 ，它于2013年11月立项，预计在2024年发射，将在400公里高的轨道上运行。这意味着CSST具备在轨维护升级的能力。
CSST兼具 大视场 和 高像质 的优异性能，是哈勃视场的300倍。CSST的计划运行期为10年，将对17500平方度的天区进行多波段成像和无缝光谱观测，并对遴选的天体或天区开展精细观测研究，以获取数十亿恒星与星系的测光数据和数亿条光谱，并通过直接成像搜寻和研究太阳系外行星。
▲图注： 中国巡天空间望远镜概念图
（图：bao.ac.cn/csst/）
CSST的主要科学目标有：
1 .对宇宙加速膨胀、暗能量、暗物质、星系成团性和宇宙大尺度结构的研究；
2 .星系和活动星系核，包括高红移星系和超大质量黑洞；
3 .恒星活动、形成和演化；
4 .系外行星、原行星盘和太阳系天体观测研究；
5 .暂现源/变源和重要天文事件响应，例如引力波搜寻、高红移伽马射线暴和快速射电暴等。
“中国天眼”500米口径球面射电望远镜
(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST)
“中国天眼”是目前世界上第一大的球面射电望远镜 。项目早在1994年就被提出并开始进行预研工作。到2020年1月11日通过验收，正式开始运行。
▲图注： “中国天眼”宛如玉盘（图：共生地球）
因为天体目标在运动，所以中国天眼在跟踪观测时，抛物面要一直不停地 跟踪变化。于是，反射面不断变形，悬挂在钢索上馈源也要进行相应的运动。
为了支持这一功能，中国科学家将 4450块三角形主动反射面安装在球形的大网兜内表层，大网兜的2225个节点形成了4450个三角形区域，每个节点上有斜拉的钢索，连接到地面，钢索下面有液压促动器往下拽钢索，每一个节点都可以双向运动。 通过联合控制，精确调节每个节点的运动距离，就可以使得 球面变形成抛物面 ，实现变形。
▲图注： 功能强大（底图：壹图网）
其科学目标有：
1 .大规模中性氢的巡天调查，绘制宇宙早期图像；
2 .建立脉冲星计时阵，参与未来脉冲星自主导航和引力波探测；
3 .主导国际甚长基线干涉测量网，探测天体的超精细结构；
4 .检测星际通信讯号，参与地外文明搜索。
▲图注： 它是搜寻脉冲星的利器（图：图虫创意）
上述神器是当前 最为引人瞩目的天文观测设备，为天文学家们带来了丰富的科学产出。 中国在某些方面 处于国际前沿地位 ，例如在暗物质探测和射电望远镜领域取得了显著进展。而在光和热红外波段，与国际先进水平仍存在 较大差距 。
随着天文学的发展，未来将需要 更大口径的空间望远镜来捕捉更多微弱天体的光线。目前已经出现了一些针对未来空间望远镜的设计概念，例如大口径先进技术空间望远镜和单孔径远红外天文观测望远镜。这些观测神器将极大地提高人类对宇宙的认知。
参考资料：
1.https://idea.cas.cn/viewdoc.action?docid=56176；
2.https://fast.bao.ac.cn/；
3.https://zh.wikipedia.org；
4.https://exoplanets.nasa.gov/tess/
5.https://www.cas.cn/zt/kjzt/awzlztcwxgc/awztcwxzxjz/201512/t20151217_4498617.shtml；
6.https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/main/index.htm；
7.https://www.jwst.nasa.gov/；
8.https://solarsystem.nasa.gov/missions/gaia/in-depth/；
9.http://pmo.cas.cn/dampe/
*本文内容为作者提供，不代表地球知识局立场
封面：NASA
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