7月20日，英国《新科学家》杂志网站报道称，美国和丹麦的研究人员利用詹姆斯韦伯太空望远镜提供的数据，发现了可能是迄今为止已知最古老的星系——GLASS-z13。
现有数据显示，该星系距离地球约 135 亿光年，诞生于大爆炸后 3 亿年。不过，研究人员表示，这一结果仍需进一步观察才能证实。
此前，已知最古老的星系记录是由哈勃太空望远镜观测到的距离地球约 134 亿光年的 GN-z11 星系。
自1609年伽利略仰望星空，到2016年完成“中国天眼”FAST，再到2021年“鸽王”韦伯望远镜成功发射，人类对宇宙的探索经历了一段400多年的征程，其间有精彩也有遗憾。，库叔带你回顾一下。
正文 | 聊网智库观察员谢芳
本文是Outlook智库的综合汇编。
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400多年的观星历史
1608 年，荷兰眼镜商汉斯·利珀海发明了望远镜。次年，伽利略·伽利莱用风琴管作为镜筒，两端嵌有凸透镜和凹透镜，3倍放大倍率的望远镜诞生了。年底，他将放大倍率提高到 32 倍，以观察太空。
伽利略制造的望远镜。
因此，我们对宇宙的理解以及我们在其中的位置发生了巨大变化。
随后的400年里，无数科学巨擘投身其中，望远镜的观测能力得到了长足的发展。
伽利略制造了折射望远镜。通过它们，他发现了月球表面的凹凸不平，发现了土星的光晕，发现了太阳黑子等天象，开辟了通过观察和实验来认识天象和解释天体运动的新纪元，最终取代了“地心说”为“日心说”。“基础。
然而，折射望远镜具有色散（使物体模糊）和像差（使物体扭曲）的缺点。
1668年，牛顿制造了第一台反射望远镜，解决了色散问题。从此，折射望远镜和反射望远镜开始并行发展。建造了 400 多台反射望远镜的英国天文学家威廉·赫歇尔于 1781 年发现了天王星，并成为第一个确定银河系中恒星的形状、大小和数量的人。
1895年，克拉克父子在美国制造了直径102厘米的叶卡斯望远镜。因为玻璃镜片越大，制作难度越大，而巨大的重量和中心部分容易变形会影响观察质量。世界上最大的折射望远镜。
【注：2022年6月12日，西藏天文馆奠基仪式在拉萨举行。建成后将成为世界海拔最高的天文馆。届时，它将搭载的一米光学天文望远镜将成为世界上最大的折射望远镜。. 】
1930年，德国配镜师施密特BV结合折射望远镜和反射望远镜的优点，制成了第一台折反射望远镜。从那时起，这种望远镜就被称为“施密特望远镜”。凭借反射式望远镜的高分辨率和折射式望远镜的大视场，施密特望远镜成为了“巡天警察”——用于巡天，找到目标后，其他望远镜用于- 深度观察。
在此期间，由于工业技术的发展，采用镀银或镀铝玻璃材料制成的镜子可以避免金属镜子生锈的问题和反射率低的缺陷。反射式望远镜再次迎来发展高潮。1948年，5.08米黑尔望远镜在美国帕洛玛天文台建成，标志着天文望远镜发展史无前例的高峰。直到1993年凯克望远镜（位于夏威夷岛上，直径10米）建成后，它作为世界上最大的反射望远镜的地位才被超越。
【注：1976年，苏联建造了直径6米的BAT-6反射望远镜，但其运行存在缺陷。】
以上评论只针对光学望远镜，通过玻璃镜片收集“光”来观察太空，而且大部分是可见光。
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100m“巨眼”
在光学望远镜蓬勃发展的同时，宇宙中另一个信号的发现催生了射电望远镜。
1931年，美国新泽西州贝尔实验室的KGJansky在寻找远距离无线电通信干扰时，意外发现在波长为1的情况下，每隔23小时56分04秒就会出现一种滋扰。 4.6 米。最大的无线电干扰。
经过一年多的测量和分析，扬斯基在1932年发表的一篇文章中断言：这是来自银河系中心方向的无线电辐射。无线电波研究天体的新时代已经开始。
射电望远镜不使用光学望远镜的玻璃镜片，而是利用巨大的天线捕捉不可见和无形的无线电波，通过分析接收到的无线电辐射信息，全面揭示各种天体的位置、图像、运动和变化。健康）状况。Jansky当时使用的旋转天线阵长30.5米，高3.66米，可视为射电望远镜的雏形。
1937 年，美国天文学家 G. Reber 建造了世界上第一台带有抛物面天线的射电望远镜。二战期间雷达技术的发展促使一波雷达改装射电望远镜在战后兴起。
2022年7月21日，贵州省黔南州“中国天眼”500米口径球面射电望远镜（维修时拍摄，无人机照片）。照片 | 新华社
从那时起，射电望远镜变得越来越大，越来越强，它们的孔径不断增加。从1957年抛物面天线直径76米的英国曼洛弗射电望远镜，到1963年球面直径305米的美国阿雷西博射电望远镜，再到2016年中国的球面直径500米的FAST，不断刷新技术和建筑奇迹一次又一次。
[注：阿雷西博射电望远镜曾经是世界上最大的单口径射电望远镜，直到2016年被中国的FAST取代，位居第二。2020年12月1日，阿雷西博射电望远镜因年久失修等原因倒塌。“介绍。 】
当然，射电望远镜也做出了很大的贡献。仅在1960年代，他们就直接带来了类星体、脉冲星、星际分子和宇宙微波背景辐射等四项具有里程碑意义的天文发现，从而获得了五项诺贝尔物理学奖。学习奖。
当大型单口径射电望远镜发展到一定程度时，新的观测技术又诞生了。合成孔径、射电干涉仪、超长基线干涉仪和其他新的射电干扰技术使研究人员能够更有效地从噪声中提取有用信号，扩大观测范围，促进成像。
例如，美国的甚大阵列合成孔径射电望远镜、荷兰的韦斯特博克合成孔径望远镜、澳大利亚的密集阵列望远镜。这些望远镜可以利用干涉原理，使用几台望远镜，达到一个望远镜口径，基线距离长的几台望远镜的观测性能。
超大阵列合成孔径射电望远镜位于美国新墨西哥州的沙漠中，由 27 根直径为 25 米的射电天线组成。它是世界上最大的合成孔径射电望远镜。它可以观察到160公里外发射无线电信号的高尔夫球。大小的物体。
多天线射电干涉仪和超长基线干涉仪有更远大的目标，可以使望远镜的直径达到地球的尺度。
有了光学望远镜、射电望远镜等地面望远镜，为什么人类还要向太空发射望远镜？
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大气层外
因为大气层的存在，地球温暖、舒适、宜居，各种生物都可以免受流星体和地外辐射的伤害。然而，对于天文观测来说，大气已经成为了障碍。
其中，地面观测受大气灭绝影响最大。由于大气层的吸收和散射，天体在穿过大气层后的辐射强度会降低。大气消光与辐射波长有关，对短波辐射的消光作用大于对长波辐射的消光作用，称为选择性消光。
由于大气消光，只有特定波长的辐射可以穿透或部分穿透大气层到达地面，最终被望远镜捕捉到。这些波长所在的范围称为大气窗口。
大气窗包括光学窗、红外窗和无线电窗。
300～700纳米的可见光波段是光学望远镜观测不同颜色天体的光学窗口。
IR 窗口的情况更为复杂，大气是 17 至 22 微米的半透明窗口，而 22 微米至 1 毫米之间是完全不透明的世界上最大口径射电望远镜，尽管后者的一些 IR 窗口可以在高山上找到。
对于 10 MHz 到 300 GHz 的无线电波，地球的大气层是透明的或部分透明的，这就是无线电窗口。因此，射电望远镜的发明弥补了以往光学望远镜的观测范围。
有些波长的辐射在到达地面之前会被大气完全吸收，地面根本无法观测到它们，例如紫外线、X射线和伽马射线的短波长辐射。
此外，大气也会产生模糊效应，使得最好的大型望远镜的分辨率难以接近光学衍射极限。如果把同一个大望远镜放在真空中，分辨率可以提高10倍。
为了摆脱大气对天文观测的影响，人类一方面尝试选择海拔高、观测条件好的地方建设天文台，另一方面开始设想派出天文望远镜进入太空。
1923 年，德国科学家 Hermann Oberth 发表了一篇文章，他在文章中提到可以使用火箭将望远镜送入太空。
1946年，美国天体物理学家莱曼·斯皮策发表论文《超越地球的天文观测的优势》，介绍了太空望远镜的科学价值。在斯皮策的不断努力下，1969年，大型太空望远镜项目获得了美国国家科学院的批准，人类真正开始实施太空望远镜计划。
然而，研制大型太空望远镜所需的人力物力，远不是一个国家能涵盖的。1975 年，欧洲航天局加入了资金和技术。1977 年，国会最终批准了为太空望远镜项目提供资金。
1980 年代，美国国家航空航天局 (NASA) 开展了一系列太空天文学项目，包括“大天文台”计划。该计划共发射了4台在不同波段工作的大型太空望远镜，并以4位美国科学家哈勃、康普顿、钱德拉和斯皮策的名字命名，以纪念他们的杰出贡献。
1990年4月，哈勃太空望远镜由“发现”号航天飞机成功发射升空。
哈勃太空望远镜。
在30多年的工作中，哈勃望远镜经历了5次航天员的维护工作，不断更新尖端科学仪器，获得了大量有价值的发现。比如观测100亿光年以外的星系，确认星系中心存在超大质量黑洞，拍摄星系合并的照片，发现比太阳亮1000万倍的恒星等等，都有了很大的进步。人类对宇宙大小和年龄的认识，暗物质的发现。
2021 年 6 月 13 日，哈勃由于其有效载荷计算机故障而停止运行，直到 7 月 17 日才完全运行。
1991 年 4 月，重约 16 吨、耗资 7. 6 亿美元的康普顿伽马射线太空望远镜被送入环绕地球的轨道。该望远镜将天体伽马射线的探测范围扩大了300倍。，主要任务是在伽马射线波段进行首次巡天观测。在轨道上运行了九年，它让我们第一次了解了黑洞如何触发 X 射线和伽马射线爆发，观察到从银河系中心出现的反物质粒子云等等。
但在1999年底，康普顿伽马射线太空望远镜上的一个姿态控制陀螺仪出现故障世界上最大口径射电望远镜，无法及时修复。2000年9月4日，美国宇航局为防止失控的卫星坠入人口稠密地区，人为将其坠毁。
1999 年 7 月，钱德拉 X 射线太空望远镜以 15 亿美元的成本进入太空。它以更高的精度和灵敏度绘制了全天X射线源，在各种天体的X射线观测中取得了前所未有的重要成果。
2003年8月，四台大型太空望远镜中的最后一台斯皮策太空望远镜成功发射，耗资8亿美元。它采用日心轨道，可以在极低的温度条件下工作，完全避免了来自地球的红外辐射的干扰，有利于探测非常年轻的天体。从那时起，它已观测到在大爆炸后 1 亿年形成的第一代恒星，拍摄了第一批系外行星图像，拍摄了银河系中心区域的超新星遗迹和密集星场等。2020 年 1 月 30 日，斯皮策太空望远镜退役。
这四台被称为“四大天王”的大型太空望远镜，前所未有地拓展了人类的视野，推动了多波段天文学的发展。
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回到宇宙的开始
詹姆斯韦伯太空望远镜项目于 1996 年启动，最初被称为“下一代太空望远镜（NGST）”。· 詹姆斯韦伯在阿波罗计划中的关键领导角色。
韦伯望远镜。
韦伯望远镜吸收了哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜的优点。该项目的初始预算仅为5亿美元。计划于2007年发射，但2005年设计方案大幅调整，发射时间被迫推迟。此后，韦伯望远镜的发射时间一再推迟，从2014年到2018年，再到2019年，再到2020年，这也是它被昵称为“鸽王”的原因。
终于，北京时间2021年12月25日20时20分，这架由NASA、ESA（欧洲航天局）和CSA（加拿大航天局）联合研制，由数千名科学家精心设计建造的大型飞行器和工程师。天文望远镜使用阿丽亚娜5号大型运载火箭在法属圭亚那库鲁航天发射中心发射升空，一个月后成功进入围绕日地系统第二拉格朗日点的轨道。
回顾25年的建造过程，韦伯望远镜总造价达100亿美元。它是人类有史以来建造的最昂贵的科学平台之一，也是迄今为止最大、最复杂、最强大的太空望远镜。
作为光学望远镜，韦伯望远镜的主镜是镀金铍镜，直径6.5米，由18个巨大的六角镜组成，总面积为25.@ >4平方米，是哈勃望远镜的6倍以上。这也是它的主要组成部分。
主镜搭配一个巨大的遮阳板，由一种非常复杂的复合材料制成，看起来就像一层银色的塑料薄膜，只有一根头发丝的厚度，但强度却很高。遮阳篷有五层，完全展开时有网球场那么大。它可以将来自太阳的热量减少到原来的百万分之一，并且可以保证韦伯望远镜始终处于低温环境中。
由于韦伯望远镜的镜面直径已经超过了火箭的最大直径，它的18个小六角镜和遮阳板在发射过程中被折叠起来。进入太空轨道时，它们按照指示一一展开。
此外，韦伯望远镜还需要携带其他多种制冷设备，以防止自身产生的热辐射，从而保证相机在低温下也能正常工作。一般情况下，镜面温度应保持在-220摄氏度左右。
与哈勃相比，韦伯的波长覆盖范围更长，灵敏度和分辨率大大提高，更擅长观察红外线，可以补充和扩展哈勃的发现。然而，与哈勃不同的是，由于距离地球约 150 万公里，韦伯望远镜没有进一步维修的机会。
2020年底，韦伯望远镜发射前，已有44个国家的科学家提交了1000多份申请，占韦伯望远镜年工作量的三分之二。但是，这些申请在获得批准之前需要经过严格的审查。
当地时间2022年7月11日，NASA提前公布了韦伯望远镜拍摄的第一张全彩照片。
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韦伯的第一个深场是星系团 SMACS 0723，它充满了数千个星系——包括在红外线中观察到的最微弱的物体。资料来源：美国国家航空航天局
在这张全彩色图像中，包括了在红外光中观察到的最微弱的物体，以及数千个星系团。主角是天文编号为 SMACS 0723 的星系团，距离地球 46 亿光年。该星团的总质量就像一个引力透镜，放大了它后面很远的星系，这张照片中捕捉到的最早的星光是在大爆炸之后的 5 亿年。
目前，我们所知的宇宙历史大约有138亿年，这意味着韦伯望远镜拍摄的第一张照片几乎捕捉到了宇宙起源的光。
韦伯望远镜运行时间至少为10年，承担着研究大爆炸后第一代恒星、星系形成与演化、恒星与行星系统形成、系外行星等多项任务. 相信在未来，它会给我们带来更多的惊喜。
按照计划，我国将于2023年发射“巡天”光模块，与空间站同轨。它被称为中国版的哈勃太空望远镜。据相关报道，“巡天”光学模块配备了直径2米的光学望远镜，分辨率堪比哈勃，约0.15角秒，但视场更大是哈勃的300倍，这意味着它的巡天效率更高。然而，它检测到的波长主要是可见光。
中国科学院国家天文台研究员戴宇表示，中国天文望远镜的探测范围主要集中在光学、射电和X射线波段，没有建设红外空间的计划望远镜。在红外天文学领域，我国在仪器研发人才储备和红外探测器精度等方面仍远远落后于国外。
中国已故天文学家、FAST负责人南仁东曾说过：“人类之所以能脱颖而出，是因为他们从低级生命进化到现在的样子，文明的出现是因为他有一种精神。探索未知。”
人类对太空探索的不情愿推动了望远镜技术的不断进步，望远镜的发展进一步拓宽了人类的视野，永无止境。
参考：
1.“回到起点”？NASA 公布詹姆斯韦伯太空望远镜拍摄的第一张全彩照片 | 天天要闻 微信公众号“CGTN”.2022-7-12
2.望远镜与天文学：400 年的回顾与展望 | 苏定强。物理。2008, (15.7@>
3.从仰望星空到进入太空——用天文望远镜纪念伽利略400年天文观测 | 陆永祥。天文学进展。2010, (05.9@>
4.《四大天王》横空出世 | 赵军良。自然与科学，2012，(04)
5.哈勃太空望远镜的“继任者”——詹姆斯韦伯太空望远镜 | 金秋。科学启蒙。2021, (08)
6.宇宙的尽头是什么样的？100亿美元太空望远镜拍下这些美照 | 天天要闻 每日经济新闻。2022-07-13
7.天文望远镜400年发展历程中光学知识的应用与拓展|宁长春，索朗山姆。大学物理。2013,32(10)
8.韦伯望远镜：洞察宇宙的曙光|戴明觉。科学24小时。2021, (09)
9.韦伯太空望远镜“首秀”，“看到”宇宙形成初期的曙光 | 彭丹妮。微信公众号“中国新闻周刊”。2022-07-16
