韦伯望远镜发射又推迟了，我们为什么对它如此期待？

本文来自微信公众号：科技导报（ID：STReview），作者：李成智，头图来自：视觉中国

根据美国国家航空航天局（NASA）最新通报，千呼万唤多年的空间天文观测重器——詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，JWST，简称韦伯望远镜）的发射再次被推迟，预计将于2021年12月24日（美东时间）在法属圭亚纳库鲁欧洲航天发射中心用阿丽亚娜V运载火箭发射，比原计划晚了两天。

它将行驶150万千米，进入拉格朗日L2点的晕工作轨道，然后经测试后展开深空探测，以中红外波段观测为主，有可能揭示出宇宙诞生、演化方面的深层奥秘。

韦伯望远镜被看作是哈勃太空望远镜的后继者，哈勃望远镜在过去30年取得的成就已经令科学家激动不已，人们对韦伯望远镜更是充满期待。

一、古代的天文观测

天文学是非常古老的学科之一，千百年来，人们就对探索和认识茫茫宇宙的奥秘充满了激情。在长期的不懈探索过程中，人们逐惭把天文学从迷信上升为一门科学。

研究天文最基本的手段是观测，在漫长的时间里只能靠肉眼进行。人们在地面上建立了许多类似观测台的建筑，如英国史前巨石阵、玛雅金字塔都被认为是古人为观测天象而建造。

英国巨石阵 图片来自：Wikipedia

玛雅金字塔 图片来自：Wikipedia

进入文明社会，天文观测的观测仪器随着科学技术的发展不断完善。

中国古代的圭表、日晷和漏刻便是天文观测的重要计时装置，古代中国天文学家为观测星象发明了许多仪器，其中最重要的是浑仪，是望远镜发明以前世界上最先进的天文观测工具。

明代的浑仪（原件）

水运仪像台是宋代苏颂、韩公廉等人设计制造的一座大型天文仪器，它把观测天象的浑仪、演示天象的浑象和报时装置巧妙地结合在一起，是中国古代一项卓越的创造。水运仪像台可以精确报时，它的一套动力装置“可能是欧洲中世纪天文钟的直接祖先”。

水运仪像台

浑仪在使用过程中不断得到发展和改进。元代郭守敬设计研制的简仪将地平坐标和赤道坐标分开安装，既有同时并测的效用，又避免了互相遮掩的缺点，是对天文仪器史上的一项重要贡献。

郭守敬简仪复原图

伴随着天象观测的需要，欧洲历史上也发明了很多观测仪器，如圭表、漏壶等计时装置。希腊天文学家在进行天文观测与研究时，借助于数学工具，将观测与计算相结合，取得了相当突出的成就。

托勒密制造过测量经纬度用的类似浑天仪的仪器——星盘和角距测量仪，利用观测数据和理论推演，他撰写了被誉为古代天文学百科全书的《致大论》。

丹麦天文学家第谷常用的天文仪器是他亲自设计和监制的大型赤道式浑仪，所测天体的位置误差小于2角分，几乎达到了肉眼观测精度的极限。

第谷设计制作的大型赤道式浑仪

第谷精心设计和制造了许多大型、精密的天文观测仪器，其中最大的是一个直径近12米、精密度极高的象限仪，后人称之为“第谷象限仪”。正是利用第谷的观测数据和天体和谐观念，德国天文学家开普勒做出了天文史上重要的发现——行星运动三定律。

第谷设计制作的巨型赤道环

二、近代以来的天文观测

近代天文学最为伟大的发明是机械钟表和望远镜。

机械钟最早是在欧洲中世纪使用在教堂或塔楼上的大型时钟类，往往只能精确到时。进入15世纪后，随着上发条动力的发明，机械钟日益精确并趋于小型化。

伽利略发现单摆定律后，惠更斯发明了摆钟，将时钟计时精度误差降低到1分钟，进一步改进后，时钟的误差小于每天10秒。

望远镜的发明同样有悠久的历史。中世纪欧洲出现了近视镜，眼镜工业迅速发展。1608年，汉斯·李比希偶然发现用两块镜片可以看清远处的景物，受此启发，他制造了第一架望远镜。

伽利略进行改进后，发明了40倍双筒望远镜，利用这台自制望远镜，他发现了木星的四颗卫星，为论证日心说提供了有力证据。

伽利略望远镜

为了减少折射望远镜的色差，惠更斯做了一台筒长近6米的望远镜，用于观测土星的光环，后来又做了一台将近41米长的望远镜。

为消除像差，牛顿磨制了一块凹球面镜，镜面直径为2.5厘米，在15厘米长的镜筒末端安装了物镜，这是他制作的第一架反射式望远镜，产生的物像可以被放大40倍。

牛顿望远镜

1672年，卡塞格林发明了卡塞格林望远镜，它是由两块反射镜组成的一种反射望远镜，通常在主镜中央开孔，成像于主镜后面，焦点称为卡塞格林焦点。

望远镜的发明和改进，被认为是观测天文学的一场革命。后来，科学家们不断通过增大望远镜口径提高放大倍数，改进天文观测的质量。

威廉·赫歇尔在1772年磨制出了第一块直径为15厘米的反射镜，并制作了一架长2.1米、可放大40倍的牛顿式反射望远镜。他用这架望远镜观看了猎户座大星云，并且清楚地观测到了土星光环。

1781年，赫歇尔在望远镜中偶然看到，一个天体呈现出一个圆面，进一步观测发现这个天体环绕太阳运动，后证实这是一颗远离太阳28亿千米的新行星，后被命名为天王星。

赫歇尔一生中磨制了数百架天文望远镜，1786年磨制了最大的一架望远镜，他使用这个庞然大物观测的第一夜，就发现了土星的两颗新卫星。他后来观测银河系也取得了很大成就，包括制作了史上最全的星表，首次提出银河系具有有限尺度的思想。

赫歇尔制作的巨型望远镜

18、19世纪，天文望远镜及其终端设备、附属配件的性能越来越好，天体测量的精确度日益提高，导致了一系列重大发现。

1814年，夫琅和费制成第一台分光镜，用来观测太阳，发现了太阳的光谱线，他所定的A、B、C、D等主要谱线的名称沿用至今。

1859年，基尔霍夫发表了分光学上的基本定律──基尔霍夫定律，指出太阳上有许多地球上常见的元素。

1869年，埃斯特罗姆刊布太阳光谱里1000条谱线的波长，并以他的姓命名他所定的波长单位(1埃=0.1 nm=10^-10m)。

1886-1895年间，罗兰刊布新的光谱表，载有从紫外区到红光区的14000条谱线的波长。

除太阳光谱外，人们也开始注意恒星光谱。

1863年，塞奇用低色散摄谱仪观测恒星，进行光谱分类，几年后，他刊布包含4000颗星的星表，将恒星光谱分成四类，并猜想这四类与温度有密切关系。

1885年，皮克林首先使用物端棱镜和照相方法拍得昴星团的光谱照片，由此开始了恒星光谱分类的新时期。运用恒星光谱分析，科学家发现了新的元素氦。

利用望远镜和分光镜研究天体特别是恒星，为20世纪天文学的大发展积累了技术和经验。

1868年，哈根斯对恒星光谱线位置进行了细致的测量，发现因多普勒效应而产生的微小的谱线位移现象，由此测出恒星正在接近或离开我们的视向速度。

19世纪末，哈佛大学天文台在皮克林和坎农的领导下，根据物端棱镜光谱观测进行恒星分类，陆续出版载有272150颗恒星光谱一元分类的《亨利·德雷伯星表》（HD星表）及其补编（HDE星表），为建立恒星表面温度序列奠定了基础。

1905-1913年，赫茨普龙和罗素分别绘制银河星团的星等－色指数图和已知距离的恒星的绝对星等-光谱型图，从中发现恒星分布的规律。罗素还提出恒星在图上的演化走向。后人把恒星的光谱光度图称为赫罗图。

1937年，柯伊伯发现，一些银河星团在赫罗图上的位置差异可以用年龄不同加以解释，说明赫罗图是探讨恒星演化的有效工具。

1938年，贝特指出，主序星的能源是氢变氦的热核反应，成功阐明了恒星能量的产生机制，为理解太阳型恒星的演化程奠定了基础。

50年代末到60年代，科学家们已能描述不同质量的恒星在主星序前的氢燃烧阶段等的演化情况。

天文观测表明，恒星起源于星际暗云，因吸积、收缩开始发生氢核聚变而成原恒星（或称星胚或星胎）。这些工作不仅解释了恒星巨大能量的来源，也描绘了恒星演化过程及演化后期。

人类对恒星形成和演化的认识和理解，是20世纪初天文学的一项重大成就。

赫歇尔曾提出偏平状、尺寸有限的银河系概念。20世纪初，卡普坦通过恒星计数和光度函数的统计研究，建立了以太阳系居中、直径长40000光年的银河系模型。

1918年，沙普利分析了当时已知的球状星团的视分布，并根据造父变星的周光关系估算它们的距离，得出银河系是直径30万光年、厚3万光年的透镜型的恒星和星云系统。

柯蒂斯认为观测到的旋涡星云是远在银河系以外，与银河系相似的恒星系统。

1920年4月26日，美国国家科学院在华盛顿举办了一场著名的辩论，史称“沙普利-柯蒂斯之争”，后来的观测表明柯蒂斯的观点基本正确，银河系远非宇宙的中心。

1923～1924年，哈勃用威尔逊山天文台的254厘米反射望远镜拍摄了仙女座大星云和M33的光谱照片，把它们的边缘部分分解为一颗颗恒星，在分析一批造父变星的亮度以后断定，这些造父变星和它们所在的星云距离我们远达几十万光年，远超过当时银河系的尺度，因而一定位于银河系外，即它们确实是银河系外巨大的天体系统——河外星系。

1929年，哈勃通过对已测得距离的20多个星系的统计分析，发现河外星系的谱线红移量和星系距离成正比关系——哈勃定律。

假若红移是天体退行运动的多普勒效应，那么红移－距离关系意味着星系普遍在退行，而它们所处的空间整体在膨胀，宇宙膨胀正是相对论宇宙学所预期的结果之一。

哈勃在进行天文观测

勒梅特于1927年提出了宇宙膨胀的概念，1931年又提出宇宙起源假说的雏形，即原始原子。根据这种假说，宇宙起源于一个原子的放射性裂变，此后不断地膨胀。

1930年，爱丁顿把勒梅特的假说和哈勃定律联系起来，称宇宙为膨胀的宇宙。1932年勒梅特进一步提出现在观测到的宇宙是一个巨大的原始火球爆炸而形成。

20世纪40年代末，科学家已普遍接受太阳的巨大能源来自热核反应。

1948年，乔治˙伽莫夫把宇宙膨胀论、基本粒子的运动和广义相对论联系起来，提出了热大爆炸宇宙学（即大爆炸宇宙论），他认为宇宙起源于高温、高密度的“原始火球”的一次大爆炸。

大爆炸宇宙论提出之初，很少有人关心它。直到1965年，美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊发现了3K微波背景辐射（也称字宙背景辐射）后，才使大爆炸学说一跃成为最有影响的学说。

这些重要的发现和理论基本上建立在地面天文台观测数据和分析的基础上。除光学望远镜外，地面天文台还附设可见光以外的观测设备。

天体多色测光和天体分光光度测量都是以光谱理论为基础的，是了解天体视向运动、星族属性、物理参量和化学成分的最有效方法。

1910年，威尔森等测定了恒星温度，进而算出恒星的直径。20世纪40年代，射电天文观测兴起，并导致类星体、脉冲星、宇宙背景辐射和星际有机分子这著名的四大发现。

射电波段天文观测成为宇宙和星系、恒星观测研究的常规项目。

20世纪以后，天文望远镜越造越大，口径越来越粗，到21世纪初，世界上最大的望远镜口径可达10米以上。

位于西班牙加纳利岛上的加纳利大望远镜镜面直径为10.4米，由36个定制的镜面六角形组件构成。

加纳利大望远镜镜 图片来自：Wikipedia

夏威夷莫纳克亚山顶海拔4200米，可在很大程度上消除地面光和尘埃的影响，位于其山顶的凯克望远镜，由凯克I和II两个完全一样的望远镜组成，分别由36块镜面六角形组件构成，整体镜面直径为10米，每块镜面口径均为1.8米。

凯克望远镜 图片来自：Wikipedia

凯克望远镜拍摄的仙女座星系照片

非洲南部大型望远镜（简称为SALT）是南半球最大的单光学望远镜，由91块镜面六角形组件构成，镜面实际有效直径为10米。望远镜能够探测到月球距离如同烛光的微弱光线。

南非SALT望远镜 图片来自：Wikipedia

这些大型天文望远镜为科学家深入观测宇宙发挥了极大作用，它们除配备大口径望远镜进行可见光观测外，往往还配有多种观测仪器，能够观测到恒星、星系发出的其他光波段的信息。

建造更大的地基望远镜的步伐一直没有停止。

2020年，美国华盛顿卡内基研究所等8个单位与澳大利亚国立大学计划合作建造大麦哲伦望远镜（缩写为GMT），建造地点是智利的拉斯卡姆帕纳斯天文台，计划在2022年投入使用。

GMT等效口径21.4米的主镜由7块直径8.4米的子镜组成，预算造价6.25亿美元，综合分辨率相当于约25米的单一主镜，功能是现有最大光学望远镜的4.5倍，成像清晰度将达到哈勃太空望远镜的10倍。

大麦哲伦望远镜主镜

GMT以可见光观测为主，红外观测为辅，建成后将担负探寻宇宙中恒星和行星系的生成、暗物质、暗能量和黑洞的奥秘，以及银河系起源等重任。

不过，在探究宇宙起源、观测更加遥远的星系方面，GMT仍存在问题，主要原因是地球表面浓厚的大气层、尘埃、人造光以及各类有生命无生命的物体都会对宇宙深处发出的红外、紫外、X射线和γ射线造成极大的干扰。

因此，位于太空的天文卫星和地面天文台相互补充，共同为探索宇宙的奥秘服务。

三、空间天文学时代

以苏联发射第一颗人造地球卫星为标志，人类进入了航天时代。航天器为天文观测提供了全新的手段，空间天文学的兴起被认为是天文观测领域的第二次革命。

以天文观测为目的的航天器主要有两大类：天文卫星和深空探测器，后者主要用于探测太阳系各天体。

在各类探测器中，以月球和火星为目标的最多。

目前，人类已经实现了在月球上软着陆甚至直接载人登月，并且通过登月和无人探测器自动取样，向地球取回了月球的样品。

火星探测方兴未艾，包括美国、苏联（俄罗斯）、中国、欧洲等共实施了47次火星探测任务，在火星实现软着陆的近15颗，带去的火星巡视器（火星车）共有8辆。

从火星上取样返回任务将很快完成，载人火星飞行的日子也将在不久的将来得以实现。

迄今为止，各国研制发射的深空探测器已达300多颗，这些探测器携带各种仪器，有的近距离掠过目标天体、有的进入目标天体轨道、有的直接在目标天体上降落，对天体的观测和研究也越来越深入。

旅行者2号探测器 图片来自：NASA

伽利略号木星探测器 图片来自：NASA

卡西尼-惠更斯土星探测器 图片来自：NASA

千百年来，天文观测获得的信息主要来自可见光波段，但可见光只占光谱的很小部分，因此天体发射的许多其他信息被忽略了。

20世纪30年代初，央斯基等人就发现了来自地球以外的宇宙无线电波（即射电波）。40年代以后，雷达的发展和改进推动了射电观测。海伊、博尔顿、赖尔等人相继探测射电天空，从而建立了射电天文学。

典型的射电望远镜 图片来自：Wikipedia

80多年来，射电望远镜从直径只有几米的抛物面天线，发展到305米固定式抛射面天线，进展到现代综合孔径射电望远镜和甚长基线干涉仪。

通过大气射电窗，可探查到银河系核心的活动，描绘了旋涡结构，发现50多种星际分子、100多个超新星遗迹、300多个脉冲星、上千个射电星系和类星射电源，探测到各向同性的宇宙微波背景辐射，并用射电方法试图与可能存在的地外文明取得联系。

射电望远镜阵列 图片来自：Wikipedia

20世纪60年代，随着航天时代的到来，天文学冲破了地球大气的禁锢，到大气外去探测宇宙。天文学开始成为全波段的宇宙科学，科学家得以考察上百亿光年宇宙深处的天象。

在电磁波各波段中，γ射线波长最短而能量最高，X射线次之，用γ射线和X射线进行高能波段探测，对研究黑洞、星系、脉冲星、中子星、超新星和大质量恒星具有重要意义。

紫外线是波长介于可见光与Ｘ射线之间的波段，有时也分成紫外、远紫外和极远紫外。紫外观测对于大型恒星、白矮星、行星状星云的中心星研究都非常重要，对星际物质的研究也有着特殊意义，通常用于研究恒星演化过程、星云、星际物质、天体化学组成等。

红外光的能量低于可见光，由较冷的光源发出，包括冷恒星、星云和红移星系。红外源有恒星、电离氢区、分子云、银核、行星状星云、星系、类星体等。通过红外观测，可了解恒星的起源、演化乃至死亡的过程。

微波主要用于宇宙微波背景测量。通过微波观测，可以认识银河系的同步辐射、自由辐射和旋转尘埃，以及河外致密源和星系团。

射电波观测的典型目标包括超新星遗迹、脉冲星、引力透镜现象和星暴星系。

通过各种频段的观测，能够研究更多的天体和天文现象，包括恒星的幼年、中年、晚年和死亡；星系的诞生与演化；特殊的天体如类星体、中子星、白矮星和黑洞；伽马暴和星暴等等。

观测各类天体和天文现象，有可能揭开恒星演化、黑洞、中子星及白矮星、类星体、星系的起源与星系碰撞、宇宙的年龄和早期宇宙等天文学奥秘。

电磁波谱

迄今为止，各国发射的天文卫星约90-100颗，大多数位于地球轨道，也有的因特殊观测环境要求发射到拉格朗日点、日心轨道或其他特殊轨道。

星上携带的观测仪器可能覆盖多个电磁波段，但以一个波段为主，因此这些天文卫星就以这个波段进行命名，例如X射线卫星、伽马射线观测台、红外观测台、极远紫外天文观测台等。许多天文卫星还以著名科学家的名字命名，如爱因斯坦天文卫星、伦琴卫星、赫歇尔空间天文台、康普顿观测台、哈勃太空望远镜等。

自20世纪60年代中期开始尝试发射天文卫星，已经过去了半个多世纪。

利用天文卫星进行观测，消除了地球大气、尘埃、人造光、电波等种种不利干扰，接收到的宇宙信息更强、更纯粹、更集中，因而能够获得地面天文台和望远镜很难获得的重要信息，对于更加深入的揭示宇宙的奥秘具有巨大意义。

本文来自微信公众号：科技导报（ID：STReview），作者：李成智（北京航空航天大学人文社会科学高等研究院教授、博士生导师）