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作為世界上光譜觀測量最大的望遠(yuǎn)鏡，拉莫斯特能同時觀測4000顆星星，極大提高了對星星們進(jìn)行“戶口普查”的效率……作為我國第一臺進(jìn)入國際研究前沿的大型望遠(yuǎn)鏡，拉莫斯特將被寫進(jìn)望遠(yuǎn)鏡的歷史。 山頂上的“導(dǎo)彈發(fā)射井” 河北省境內(nèi)燕山山脈深處，群山峻嶺之間有一座海拔960米的山頭。每當(dāng)夜晚降臨，山脈之上的晴夜將會拉開帷幕，上演一場精彩的演出。仿佛上帝之手拉動了一個神秘的開關(guān)，萬里無云的夜空中出現(xiàn)無數(shù)眨眼睛的星星。 這是位于承德市興隆縣境內(nèi)的天文觀測站，山脊上一座座圓形的拱頂就是一臺臺天文望遠(yuǎn)鏡。這群拱頂間有個雪白嶄新的異類，被世界頂級的學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）喻為“充滿未來派風(fēng)格的導(dǎo)彈發(fā)射井”，它便是新落成的拉莫斯特（LAMOST）望遠(yuǎn)鏡。芝加哥大學(xué)的天文學(xué)家唐納德·約克（Donald York）看到它時說：“說實(shí)話我很震驚。” 約克是美國斯隆數(shù)字巡天項(xiàng)目的主任，這個項(xiàng)目通過使用設(shè)立在阿帕拉契山頂天文臺的斯隆數(shù)字巡天望遠(yuǎn)鏡，對星星們進(jìn)行“戶口普查”。斯隆望遠(yuǎn)鏡直徑2.5米，有640根光纖，能同時觀測640個天體。1999～2005年，此項(xiàng)目的第一期觀測共獲得了67.5萬個星系、9萬個類星體和1.85萬個恒星的光譜，目前所進(jìn)行的第二期觀測正在對24萬個恒星進(jìn)行光譜觀測。 然而這些還不夠。面對浩瀚無垠的星空，天文學(xué)家們想看得更深、更遠(yuǎn)，發(fā)現(xiàn)更多更暗的天體，進(jìn)一步做好星星的“戶口普查”工作，于是拉莫斯特望遠(yuǎn)鏡誕生了。此前，斯隆數(shù)字巡天望遠(yuǎn)鏡是世界上光譜觀測量最大的望遠(yuǎn)鏡，但是拉莫斯特能同時觀測4000個天體，是斯隆數(shù)字巡天望遠(yuǎn)鏡的5倍多，從而一舉將斯隆望遠(yuǎn)鏡的霸主地位取而代之。 拉莫斯特的全名在普通人聽來非常拗口，叫做“大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡”（The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope），拉莫斯特只是它英文縮寫LAMOST的中文譯名。 “所謂‘大天區(qū)面積’就是巡天。望遠(yuǎn)鏡有兩大類，一類是哈勃望遠(yuǎn)鏡那種盯緊單個天體、觀察細(xì)節(jié)的望遠(yuǎn)鏡，這是現(xiàn)在大望遠(yuǎn)鏡發(fā)展的一個趨勢；還有一類就是拉莫斯特這種重視廣度的望遠(yuǎn)鏡，用普查的方式大規(guī)模觀測天體，叫做‘巡天’，能為大量天文工作提供基本素材。如果用照相術(shù)語來說，前者是長焦鏡頭，后者是廣角鏡頭。”拉莫斯特項(xiàng)目總經(jīng)理、國家天文臺研究員趙永恒告訴本刊記者，“哈勃之類的望遠(yuǎn)鏡主要做成像觀測，它能夠發(fā)現(xiàn)新的天體，拍照記錄天體的亮度和位置。拉莫斯特的目的既不是拍照也不是發(fā)現(xiàn)新的天體，而是要捕獲已知天體的光譜，從中得到更多的信息。” 目前，由望遠(yuǎn)鏡所拍攝的巡天照片已經(jīng)記錄下數(shù)以百萬計(jì)的天體，但是它們中只有約萬分之一的天體進(jìn)行過光譜測量。學(xué)過中學(xué)物理的人都知道，每種原子都有自己的特征譜線，可以根據(jù)光譜來鑒別物質(zhì)，確定其化學(xué)組成。雖然普通人壓根兒看不明白光譜那心電圖般的曲線，但是天文學(xué)家能從中讀出很多信息，比如天體的化學(xué)組成、溫度、壓強(qiáng)、磁場、密度等。好比說，以前知道了有這個人，還要知道這個人的年齡、性別、種族、受教育程度、婚姻狀況等等，拉莫斯特所做的，就是更進(jìn)一步去“八卦”星星們的“隱私”。 目前，拉莫斯特正處于最后的驗(yàn)收階段。驗(yàn)收完畢后，它將在興隆觀測站萬里無云的晴夜里，緩緩打開圓拱和兩片鏡面之間的大門，接收來自遙遠(yuǎn)太空的點(diǎn)點(diǎn)星光，窺視宇宙中難得一見的秘密。37塊蜂窩型鏡片拼接而成的鏡面就是它的眼睛，星光照到上面，通過拱形大門反射到斜上方另一塊由24塊蜂窩型鏡片拼接而成的鏡面上，再反射到它的視神經(jīng)，于是它就可以“看”到了。焦面上安裝的4000根光纖就是4000根視神經(jīng)，來自每顆星星的光被每一條光纖收納，隨后被導(dǎo)入下面鏈接的16臺光譜儀，通過分光得到每顆星星的光譜。 星星們的秘密，就在這里。 拉莫斯特的使命  盡管人類對它們充滿好奇并進(jìn)行了不懈的觀察，但是星星在很長一段時間內(nèi)仍屬于神秘學(xué)說的范疇。直到1825年，法國哲學(xué)家孔德仍在《實(shí)證哲學(xué)講義》中斷言：“恒星的化學(xué)組成是人類絕對無法得到的知識。”他試圖以此來說明人類認(rèn)識的局限性，但是這個預(yù)言在30年后就被天體光譜技術(shù)打破了。 光是人類了解宇宙復(fù)雜奧秘的指引，只要物體會輻射或者反射光，就能從中得知物體的很多性質(zhì)。因此，天文學(xué)史可以說是人類學(xué)習(xí)如何解讀光的歷史。在天文學(xué)里，看得越遠(yuǎn)代表看得越古老，到達(dá)地球被我們看到的星光，實(shí)際上是那顆星星若干年前發(fā)出的光，你所看到的只是它若干年前的樣子。 一旦知道光是了解宇宙的關(guān)鍵所在，人類便發(fā)明了各種儀器來捕捉各種不同形式的光并加以分析。拉莫斯特就是其中的一種儀器，而且它非常幸運(yùn)，用國外天文學(xué)家的話來說，“世界上有很多成像巡天望遠(yuǎn)鏡，但是缺少光譜分析巡天望遠(yuǎn)鏡，拉莫斯特正趕上了好時機(jī)”。 拉莫斯特的觀測目標(biāo)是100萬個星系、100萬個類星體，外加1000萬顆恒星的光譜，將會以更高精度的方式來確定宇宙的組成和結(jié)構(gòu)。天文學(xué)家期待拉莫斯特回答天體物理和宇宙學(xué)中的重大基本問題，比如宇宙的結(jié)構(gòu)、星系的形成和演化等等。對于這些物理問題的研究，必須依賴于大量樣本的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，才有可能從觀測資料中確定哪些過程決定了宇宙中各種天體的性質(zhì)，并從中尋找關(guān)鍵點(diǎn)。 “就拿銀河系來說，對于它的結(jié)構(gòu)我們并沒有明確的想法。它包含了上千億顆恒星，知道得越多就越可能推斷出它是如何形成、演化的。通過拉莫斯特的觀測結(jié)果，我們可以一顆星一顆星分析，從而形成海量數(shù)據(jù)后分類，比如銀河系剛形成時有哪些元素，超新星爆炸后又有哪些元素，重元素如何越來越多，銀河系是否一直在吞并周圍的小星系……”趙永恒告訴本刊記者，“再比如，拉莫斯特得到的數(shù)據(jù)能夠推算出星系的三維分布，用于分析關(guān)于宇宙的不同物理模型，包括宇宙大爆炸、暗物質(zhì)、暗能量等等，對宇宙起源問題進(jìn)行進(jìn)一步認(rèn)識。” 國家天文臺研究員陳學(xué)雷則向本刊記者表示：“對于我所從事的宇宙學(xué)研究而言，希望通過觀測大量星系的紅移，確定在大尺度上物質(zhì)的分布特征，再把這些特征與理論相比較，來確定暗能量的性質(zhì)。” 按照國際慣例，望遠(yuǎn)鏡獲得的數(shù)據(jù)在頭兩年的保護(hù)期內(nèi)會無償提供給本國的天文學(xué)界使用，兩年后對國際公開。陳學(xué)雷說：“過去做研究，我們主要是使用國外已發(fā)表的數(shù)據(jù)，這樣很難有新的發(fā)現(xiàn)，只能是提出新的理論解釋，或者比別人算得更準(zhǔn)更細(xì)。如果我們有自己的數(shù)據(jù)，就可能會在研究上取得主動權(quán)，得到更好的成績。拉莫斯特是我國第一臺進(jìn)入國際研究前沿的大型望遠(yuǎn)鏡，希望它能幫我們做出重要的新發(fā)現(xiàn)。” 最富挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì) 拉莫斯特在世界望遠(yuǎn)鏡的隊(duì)列中，除了是世界上光譜觀測量最大的望遠(yuǎn)鏡之外，頭上還有兩個光環(huán)。“一是它解決了大視場和大口徑的矛盾，二是它完美地采用了主動光學(xué)技術(shù)，這是最富挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)。”拉莫斯特項(xiàng)目總工藝師李國平向本刊記者介紹。 目前，世界上進(jìn)行巡天工作的望遠(yuǎn)鏡基本都是施密特望遠(yuǎn)鏡。這是上世紀(jì)30年代德國光學(xué)家施密特發(fā)明的折反射望遠(yuǎn)鏡，用球面反射鏡作為主鏡，在球心處安放一塊“改正透鏡”，大大增加了望遠(yuǎn)鏡的有效視場，在“巡天”工作中起到了無可替代的巨大作用。 “施密特望遠(yuǎn)鏡的聚光能力隨著口徑的增大而增強(qiáng)，望遠(yuǎn)鏡的聚光能力越強(qiáng)，就能夠看到更暗更遠(yuǎn)的天體。但是，在制造望遠(yuǎn)鏡時，追求口徑就要犧牲視場，反之亦然。”視場小的壞處就是視限太窄，要對天體一個或幾個的進(jìn)行掃描。試想一下，如果用這種速度巡天的話，要巡到何年何月？ 以前，只有反射型望遠(yuǎn)鏡可以做到8～10米的大口徑，并且計(jì)劃發(fā)展到30～50米，但是斯密特望遠(yuǎn)鏡只能做到直徑1米多。“這是因?yàn)橥哥R鏡片使用的是微晶玻璃，雖然熱脹冷縮的情況下變形很小，但是越大加工越困難，以目前的加工技術(shù)只能做到1米多，并且非常昂貴。”李國平說。 后來，國家天文臺蘇定強(qiáng)院士想出個好辦法，把施密特望遠(yuǎn)鏡的透鏡換成反射鏡，變成反射型施密特望遠(yuǎn)鏡。這樣一來就解決了口徑和視場的矛盾，將拉莫斯特建造成既能看得遠(yuǎn)又能看得廣的超強(qiáng)望遠(yuǎn)鏡。 這個改動聽起來簡單，但是過去為什么一直沒有人提議？“這是因?yàn)楫?dāng)時主動光學(xué)的技術(shù)沒有解決。”趙永恒說。望遠(yuǎn)鏡在觀測天體時，需要根據(jù)不同的任務(wù)調(diào)整觀測角度，這樣它的不同部位就會因?yàn)橹亓Πl(fā)生微小的變化。一旦鏡面變形，就會使星像變得模糊，從而威力大減。“比如這張紙，手掌平托和斜托著它，它的彎曲程度會有微小的變化，要調(diào)節(jié)后面所施加的力來保持它在變化姿勢時不發(fā)生形變。”趙永恒向本刊記者一邊比畫一邊說，“即使是變化，也是微米級的變化，靠每塊鏡片后的3個支撐點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。沒有主動光學(xué)技術(shù)時，望遠(yuǎn)鏡最大直徑是5～6米，有了主動光學(xué)以后就發(fā)展到8～10米。” 除了這兩大特點(diǎn)，還有讓設(shè)計(jì)者們非常得意的地方。拉莫斯特焦面上的4000根光纖，可以看作是來自不同源頭的“水渠”，光譜吸收系統(tǒng)就是“水庫”，通過各個渠道引來光譜信息。這4000道水渠是并行的，通過計(jì)算機(jī)控制做出任何調(diào)整。和拉莫斯特相比，斯隆望遠(yuǎn)鏡顯得有點(diǎn)“笨”。斯隆望遠(yuǎn)鏡的光纖要逐一手工插接在預(yù)先鉆好孔的鋁板上，再安裝到望遠(yuǎn)鏡上，既繁瑣又浪費(fèi)了大量金屬材料，而且一旦出錯難以彌補(bǔ)。比如斯隆第一期巡天任務(wù)就消耗了3000塊光纖板，可謂一項(xiàng)浩大的工程。而拉莫斯特光纖定位系統(tǒng)則以相當(dāng)大膽的設(shè)計(jì)，節(jié)約了材料、資金和時間，受到了一致好評。 當(dāng)然，3億元人民幣打造的拉莫斯特也并非無所不能。作為一種光學(xué)天文設(shè)備，它既不能與20億美元級的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的“高空間分辨率”性能相比，也不能與每臺1億美元的“8米級”望遠(yuǎn)鏡的精測能力相比。“但是拉莫斯特的大范本數(shù)據(jù)提供，也不是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和‘8米級’望遠(yuǎn)鏡所能做到的。”趙永恒告訴本刊記者。 實(shí)際上，并非天文學(xué)界人人都是拉莫斯特的“粉絲”。除了艱難的技術(shù)挑戰(zhàn)之外，興隆的觀測條件也并非理想，比如大氣擾動比較強(qiáng)烈、光污染越來越嚴(yán)重、刮來的塵沙會對光潔無暇的鏡面造成損害等等。“但是興隆已經(jīng)是在可選范圍內(nèi)最好的選擇，每年的平均可觀測夜數(shù)不少于240天。如果將來能在青藏高原找到好的天文臺臺址，我們會考慮建造更大的拉莫斯特。” 而且，建造了一臺先進(jìn)的儀器也并不代表就會得出先進(jìn)的成果。對此陳學(xué)雷表示，雖然拉莫斯特有自己的獨(dú)到之處和先進(jìn)性，但也面臨著國外類似項(xiàng)目的競爭，人才、經(jīng)驗(yàn)方面都有很大差距，也可能投入了大量的時間精力之后卻發(fā)現(xiàn)，研究成果依然是外國人做出來的。“所以，我對拉莫斯特的認(rèn)識比較客觀，既有期待，但也不會太高。”他說。 不過，這畢竟是我國天文學(xué)追趕世界先進(jìn)水平所邁出的第一步。唐納德·約克先生就大贊拉莫斯特“非常美麗，也完成了技術(shù)上的突破”。在接下來的時間里它將開始運(yùn)行，指引天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙深處的美麗新世界。■ 永遠(yuǎn)的“哈勃” 老兵不死，只是凋零。對于“哈勃”這個老兵，是否也會如此？ 記者◎曹玲 一推再推的第五次大修 回憶起當(dāng)年對哈勃太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的第一次維修，美國前宇航員杰弗里·霍夫曼（Jeffrey Hoffman）在電話那頭接受本刊記者采訪時依然十分興奮：“那是我在太空最難忘的舉動。1993年12月4日，航天飛機(jī)伸出遙控機(jī)械臂抓住了哈勃，把它固定在專用的支架上。第二天，我和另外一名宇航員斯托里·馬斯格雷夫出艙進(jìn)入太空。那感覺真的非常神奇，背對哈勃，面對茫茫宇宙，感覺像漂浮在無限的自由里。不過修復(fù)哈勃的任務(wù)也非常艱巨，操作要像外科醫(yī)生一樣精細(xì)。我把腳固定在平臺上，和同事一起更換了3臺陀螺儀，這可以讓它在跟蹤天體時保持固定的姿態(tài)。” “事隔一天，我和馬斯格雷夫又進(jìn)行了第二次出艙修理，用新相機(jī)更換了舊相機(jī)，那是專為糾正哈勃的主鏡誤差而設(shè)計(jì)的。又隔了一天，我們進(jìn)行了第三次艙外活動，更換了一個太陽能電池帆板的驅(qū)動裝置，原來的裝置會因?yàn)樘諟囟葎×易兓瘜?dǎo)致望遠(yuǎn)鏡不停地顫抖。3次任務(wù)加起來，我一共出艙活動了24個小時，是整整一天。當(dāng)時，我的兩名同事還為哈勃戴上了‘眼鏡’，那是一組由透鏡組成的修正裝置。如此，哈勃的視力就得到了矯正，從此改變了命運(yùn)。” 那是1993年12月，哈勃升空3年半之后的第一次維修。當(dāng)時美國航空航天局派遣7名宇航員乘坐“奮進(jìn)號”航天飛機(jī)進(jìn)入軌道修復(fù)哈勃，霍夫曼就是其中的一位。 如今，哈勃又面臨第五次、也是它有生之年的最后一次大修。自1990年進(jìn)入太空起，它已在天上飛行了18年，就像一輛開了18年的汽車，即便當(dāng)年是如此之風(fēng)馳電掣，現(xiàn)今也難掩力不從心的倦容。 修復(fù)時間因各種原因被一再推遲。美國航空航天局年初打算于年中進(jìn)行修復(fù)，后又將時間推遲至10月中旬。然而10月底他們又宣布，因哈勃上的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障，無法正常存儲觀測數(shù)據(jù)并傳回地球，將維修計(jì)劃推遲到明年年初。 即將到來的第五次大修是哈勃延續(xù)生命的最后機(jī)會，宇航員將乘坐“亞特蘭蒂斯號”航天飛機(jī)，從肯尼迪飛行中心出發(fā)，進(jìn)入哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的軌道，捕捉并修理它。宇航員會更換被燒壞的巡天相機(jī)的電路板，這是哈勃的主相機(jī)，那些壯觀、令人難忘的天文照片就是由它拍攝的。 正是這些圖片勾起了公眾對哈勃的熱情。哈勃就像人類的眼睛，好奇地凝視著宇宙。它是第一個、也是唯一一個主要通過觀測可見光來認(rèn)識宇宙的望遠(yuǎn)鏡，傳回了無數(shù)完美清晰、絢爛多姿、細(xì)節(jié)豐滿的宇宙圖像。如果人眼能看得如此深遠(yuǎn)、真切，宇宙差不多就是如此。那些美妙的圖片似乎富有智慧，不需任何注釋便能給人帶來震撼，讓人在面對時不由自主地感慨：“這就是我們的宇宙！”不論圖片展現(xiàn)的是什么，行星、稠密恒星區(qū)、華美的星云、壯觀的星系碰撞，以及宇宙大尺度結(jié)構(gòu)，每一幅圖片都會引起你對宇宙空間的私人想象。 哈勃走進(jìn)公眾視線的過程和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展密不可分，當(dāng)它拍攝的數(shù)字圖像首次進(jìn)入公眾視界時，正值互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展呈指數(shù)級增長。和其他有趣、免費(fèi)的東西會在網(wǎng)上迅速流傳一樣，哈勃所拍攝的圖片以無比絢爛的視覺效果，成為廣大網(wǎng)民的屏保和桌面，悄悄走進(jìn)普通人的生活。 事實(shí)上，我們頭頂上還有20多個形態(tài)各異的太空望遠(yuǎn)鏡圍繞地球飛來飛去，提供各種宇宙視角，但是人們似乎視而不見，最寵愛的依然是哈勃。或許是因?yàn)槠渌胀h(yuǎn)鏡局限在科研范圍，只能觀測那些人眼看不見的光波，其中有很多還因?yàn)榇髿鈱拥木壒蕪奈吹竭_(dá)過地球。它們和哈勃不同，大多無法修復(fù)，零件磨損、陀螺儀失靈、電池耗干等硬件條件制約了它們的壽命，一般只有3～7年。而哈勃在設(shè)計(jì)之初，就已經(jīng)被考慮到維護(hù)問題，身上的很多組件都可以比較容易地拆卸下來，到目前服役期限已經(jīng)超過太空望遠(yuǎn)鏡為期15年的平均壽命。 總之，哈勃就是比其他太空望遠(yuǎn)鏡長壽，它的使用期限被一再延長，任何放棄它的計(jì)劃都會遭到公眾反對。2004年，也就是“哥倫比亞號”航天飛機(jī)失事后一年，美國航空航天局決定不再對哈勃進(jìn)行維修。消息一出，憤怒的評論和信件像雪片一樣涌進(jìn)報紙和雜志的編輯部，電臺和電視臺的脫口秀節(jié)目也紛紛譴責(zé)美國航空航天局置哈勃于死地的行為，呼吁恢復(fù)修復(fù)哈勃的基金，讓它多活幾年。國會最終順應(yīng)民意，扭轉(zhuǎn)了美國航空航天局的決定，為哈勃爭取到第五次修復(fù)機(jī)會。 哈勃的財富 如果哈勃是個明星，也是那種一出道就丑聞纏身、后來通過自己的神奇天賦和刻苦努力而贏得萬人寵愛和尊敬的明星。 哈勃進(jìn)入太空后立刻成為萬人矚目的“首席天文臺”，但是歡呼聲剛過，它就進(jìn)入了一段長達(dá)3年半的低谷期。天文愛好者都知道，那幾年哈勃被譏諷為“科技小丑”、“一顆蒙羞的人造衛(wèi)星廢物”、“哈跛太空望遠(yuǎn)鏡”（The Hobbled Space Telescope）。這是因?yàn)?，它的主鏡竟然出現(xiàn)球面相差，基本原因是主鏡磨制錯誤，原本想要把70%～80%的光反射到聚焦良好的“光核”中，結(jié)果卻只有小部分對準(zhǔn)光核，其余均散布到光核周圍的擴(kuò)散光暈中。這樣一來，到達(dá)哈勃的光線嚴(yán)重變形，導(dǎo)致最終拍攝的圖片模模糊糊，算是一個非常小兒科的錯誤。美國航空航天局花了16億美元，結(jié)果送了一個“近視眼”上天，幫他們“窺視”宇宙的秘密，真是貽笑大方。為此，和哈勃有關(guān)的很多工作人員始終感到抬不起頭，被人在背后指指點(diǎn)點(diǎn)戳脊梁骨。 直到2003年底，霍夫曼和同事們對其進(jìn)行修理后，哈勃才開始實(shí)至名歸，成為最多產(chǎn)、最富有創(chuàng)造力的科學(xué)儀器。它每天都可以開工，不像地面上的望遠(yuǎn)鏡會受大氣影響，觀測范圍幾乎涵蓋太陽系內(nèi)所有天體，原則上可以達(dá)到宇宙觀測的極限。 1995年12月，哈勃用了10天時間感光，拍攝到一幅名為“哈勃深空”的圖像。圖像中的星系遠(yuǎn)在宇宙邊緣，是大爆炸后不久宇宙形象的凍結(jié)。美國航空航天局將這幅被譽(yù)為“上帝之手”的照片遞交給國會，是顯示成績最好的成績單。 18年間，無數(shù)的研究論文使用了哈勃所得到的數(shù)據(jù)，高等教科書的內(nèi)容一次次被哈勃改寫，大學(xué)生們通過哈勃認(rèn)識了新的世界和宇宙。這其中，它所做出的最重要的貢獻(xiàn)是解決了持續(xù)數(shù)十年的宇宙年齡之爭。之前，關(guān)于宇宙年齡的觀測數(shù)據(jù)非常糟糕，無法得到天體物理學(xué)家的信任，有人認(rèn)為宇宙是100億歲，也有人認(rèn)為是200億歲。因?yàn)檎麄€宇宙都在以已知的速率擴(kuò)張，我們可以將時鐘倒轉(zhuǎn)，測定多久以前所有東西都在一個點(diǎn)上。哈勃通過精確測量遙遠(yuǎn)星團(tuán)中某類恒星的亮度變化，代入一個簡單的計(jì)算公式，告訴了答案：宇宙誕生于140億年前。 此外，哈勃還證明了黑洞的存在。長久以來，研究人員一直懷疑一些大星系，比如我們銀河系的中心有一個特大質(zhì)量的黑洞正在吞噬恒星、星云和周邊路過的物質(zhì)。該中心存在如此密集的恒星，基于地球的望遠(yuǎn)鏡只能看見由成百上千顆恒星擠成一堆的斑駁的星光。從太空中，哈勃望遠(yuǎn)鏡高分辨度的圖像讓我們看到每一顆獨(dú)立的恒星，以及它們圍繞銀河系中心的運(yùn)動。那些恒星的移動速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常值，似乎有一個小型的、看不見的強(qiáng)大引力牽引著它們。為了使方程平衡，研究人員得出結(jié)論：一個黑洞潛伏在銀河系的中心。 在這18年，哈勃收獲了無數(shù)鄙視的口水，也收獲了滿園芬芳的贊美。它被稱為是各種眼花繚亂記憶的代言人，比如一個錯綜復(fù)雜的大工程、一次失敗、一個制造奇跡的機(jī)器、一份工作、一件讓人著魔的東西、美國航空航天局的未來、美國航空航天局的毀滅……不管它是什么，它的真實(shí)身份仍是一架口徑2.4米、公共汽車般大小的太空望遠(yuǎn)鏡。隨著天文學(xué)家對觀測的要求越來越高，它也開始力不從心。美國航空航天局計(jì)劃于2013年發(fā)射小型火箭，推動哈勃落向太平洋，隨后打撈出來送進(jìn)博物館。 正式退休之前，美國航空航天局已經(jīng)替它選好了接班人，正在建造中的詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡將于2013年閃亮登場。它不像哈勃那樣圍繞地球旋轉(zhuǎn)，而是飄蕩在從地球到太陽背面150萬公里的空間，因?yàn)殡x地面過遠(yuǎn)，即使出了故障也不可能頻繁派人修理。韋伯望遠(yuǎn)鏡的口徑達(dá)到6.5米，面積為哈勃的5倍以上，觀測性能將遠(yuǎn)超哈勃。但是它主要用于觀測紅外光，除了天文學(xué)家之外，它眼中的宇宙并不為人所知。所以，我們可能會依然懷念哈勃。■ 穿越星空之眼 雖然歷代天文學(xué)家已經(jīng)取得了相當(dāng)輝煌的成就，從月球與地球之間的大體距離，到行星軌道，但大部分公眾仍然認(rèn)為恒星和行星不過是天幕中發(fā)光的亮點(diǎn)，而大地則是一片平坦。毫無疑問，沒有令人信服的視覺證據(jù)，天文學(xué)家僅依靠數(shù)學(xué)計(jì)算與推測無法讓人類對于宇宙的認(rèn)識更進(jìn)一步。于是，在1609年，一種儀器誕生了，從而徹底改變了我們認(rèn)識整個外部空間的進(jìn)程。 記者◎朱步?jīng)_ 終結(jié)地心說的小發(fā)明 故事的開始總是沉悶的。1576年，丹麥天文學(xué)家第谷·布拉赫在丹麥和瑞典之間的海島上建立了第一個現(xiàn)代意義上的天文臺，做一系列仔細(xì)的火星觀測記錄。23年后，與丹麥國王鬧翻的第谷來到布拉格，年輕的德國天文學(xué)家約翰·開普勒充當(dāng)了他的助手。借助導(dǎo)師豐富的觀察手記，開普勒發(fā)現(xiàn)，假如火星是沿著某個橢圓軌道圍繞太陽運(yùn)動，而太陽正好處于橢圓某個焦點(diǎn)位置，那么就與第谷的觀測結(jié)果非常吻合。1609年，他出版了《新天文學(xué)》，詳細(xì)闡述了自己的想法。幾乎與此同時，荷蘭澤蘭省米德爾堡市一位眼鏡制造商漢斯·里帕席的店鋪里發(fā)生了一件有趣的小事：一個淘氣的學(xué)徒在無聊時，將陳列的各種透鏡輪流從櫥窗里拿出來把玩，結(jié)果無意中發(fā)現(xiàn)，如果將兩塊透鏡以一遠(yuǎn)一近的順序放在眼前，那么遠(yuǎn)處的教堂塔樓、風(fēng)車等景物會變得又大又近。當(dāng)里帕席發(fā)現(xiàn)學(xué)徒的把玩后，他立刻明白，這個東西可能具有不可思議的廣泛用途。他將兩塊透鏡安放在一根金屬管內(nèi)，把這個新奇玩意命名為“窺器”，而希臘籍?dāng)?shù)學(xué)家、羅馬紅衣主教的書記愛奧亞尼斯·狄米亞西尼，則建議應(yīng)當(dāng)稱呼它為“望遠(yuǎn)鏡”（Telescope），這個詞在希臘文中的原意為“在遠(yuǎn)處看”。 此前，光學(xué)透鏡在人類文明發(fā)展的潮流中只是時隱時現(xiàn)，考古學(xué)家們曾在克里特島和小亞細(xì)亞出土過制造于公元前2000年左右的粗糙透鏡。公元10至11世紀(jì)時，著名的阿拉伯物理學(xué)家、居住在巴士拉的阿爾哈曾就在自己的著述中提到過光的折射原理，并初步對透鏡的放大功能做出了闡述。13世紀(jì)初，牛津大學(xué)圣方濟(jì)各會修士約翰·皮克漢姆根據(jù)阿爾哈曾的研究，寫過一部簡略的《透視法》。最初在荷蘭、比利時與意大利城市中制造的透鏡被用來制作最初的眼鏡，羅杰·培根就曾是最早一批眼鏡的受益者。 里帕席的發(fā)明問世后，除了在軍事上被熱衷于擺脫西班牙控制的荷蘭聯(lián)省軍隊(duì)用于偵察外，也引起了學(xué)者們的好奇，其中就包括在意大利帕多瓦擔(dān)任數(shù)學(xué)教授的伽利略·伽利雷。就在里帕席發(fā)明望遠(yuǎn)鏡的同一年，他在游歷威尼斯的時候也觀察到了這個新鮮玩意，于是用一塊平凸透鏡和一塊平凹透鏡制造了自己的望遠(yuǎn)鏡。凹透鏡在靠近眼睛的一側(cè)，稱為目鏡，而凸透鏡則被稱為物鏡。當(dāng)他最終將自己長1.2米、直徑4.4厘米的望遠(yuǎn)鏡指向月球時，他看見了一個粗糙的表面，有山脈，表明希臘天文學(xué)中關(guān)于天體超凡完美的假設(shè)與事實(shí)大相徑庭。不僅如此，伽利略進(jìn)一步推論說，既然月亮和地球如此相像，而月亮?xí)刂硞€軌道運(yùn)動，那么地球也不排除這樣的可能性。 1610年，聲名日隆的伽利略前往佛羅倫薩，擔(dān)任托斯坎尼公國的宮廷數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家，據(jù)說原因在于伽利略聰明地把觀測到的四顆木星衛(wèi)星命名為美第奇星，以討好這個統(tǒng)治托斯坎尼的意大利豪門世家。在那里，伽利略借助望遠(yuǎn)鏡的觀察，使得托勒密天文學(xué)的論斷不斷崩潰：比如托勒密理論的擁護(hù)者指出，如果哥白尼的理論成立，那么隨著地球在空間中的移動，恒星在天球中的位置也應(yīng)變化。這種情況在天文學(xué)依賴肉眼觀測的時代并沒有發(fā)生，然而望遠(yuǎn)鏡觀測的結(jié)果表明，恒星太遙遠(yuǎn)了，以至于位移根本無法察覺——在透鏡中，恒星仍然沒有顯示成為球體，而仍然是一些光點(diǎn)，這個結(jié)果對于哥白尼的理論是極端有利的。1610年8月，伽利略宣布，金星也擁有類似月亮月相一樣的位相，證明金星和這顆地球的衛(wèi)星一樣，是個黑暗的天體，它的光亮來自太陽，并且按照橢圓軌道圍繞太陽轉(zhuǎn)動。次年他又宣稱太陽也并非永放光芒、完美無瑕的天體，因?yàn)樗鼡碛须y看的瑕疵——太陽黑子。盡管這些離經(jīng)叛道的妄言最終導(dǎo)致他于1633年，被迫在羅馬圣瑪利亞修道院的大廳里向10位樞機(jī)主教懺悔，接受了被終身監(jiān)禁的判決，但真正被宣判敗訴的，卻是人類陳舊的地心宇宙觀——200年來的權(quán)威，被一名孤立的觀測者借助一架簡陋的儀器在3年內(nèi)打敗。1642年，雙目失明的天文學(xué)家在佛羅倫薩附近的阿切特里去世，而正是在這一年，另一位在揭示宇宙運(yùn)行真相方面同樣重要的人物艾薩克·牛頓誕生了。 伽利略精神的繼承者 1638年，英國天文學(xué)家威廉·蓋斯科因發(fā)明了測微器，精確測量出恒星的角寬度。1670年，英國鐘表匠威廉·克萊門特制造出了第一臺長擺鐘，可以在探測距離方面得出前所未有的精確結(jié)果。出生在意大利的法國天文學(xué)家喬凡尼·多美尼科·卡西尼與助手讓里歇分別在巴黎天文臺與位于南美洲的法屬圭亞那的卡宴兩地進(jìn)行觀測，計(jì)算出太陽與地球的距離達(dá)到了驚人的1.4億公里，而非自希臘時代以來就一直被天文界奉為圭臬的800萬公里。并且借助時鐘和測微器，天文學(xué)家們第一次可以通過角寬度換算來了解天體的體積：金星約與地球一般大，而木星的直徑卻比地球?qū)捔舜蠹s11倍，至于太陽，它的直徑居然是130萬公里，超過地球100倍。 如同歐洲政治霸權(quán)的爭斗那樣，巴黎天文學(xué)家最強(qiáng)勁的對手來自英國。1663年，愛丁堡的詹姆斯·格里高利設(shè)計(jì)出了第一臺反射望遠(yuǎn)鏡，這件發(fā)明的誕生確是有現(xiàn)實(shí)的需要：傳統(tǒng)的伽利略或開普勒式折射望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)長達(dá)40米以上，越來越難駕馭，并且無法解決諸如天體色差等問題。而格里高利則發(fā)現(xiàn)，兩個橢圓面反射鏡對光線進(jìn)行反射并重新聚焦后，產(chǎn)生的天體形象較之以往有了相當(dāng)?shù)奶岣摺?668年，年僅27歲的劍橋大學(xué)圣三一學(xué)院學(xué)生、賦閑在林肯郡家中的艾薩克·牛頓，依照格里高利的思路改良了自己的反射望遠(yuǎn)鏡。該望遠(yuǎn)鏡由一面銅錫砷合金主鏡、一面平面反射鏡和一面目鏡組成，雖然僅長6英寸，但能夠產(chǎn)生放大40倍的物象。1675年，一群皇家學(xué)會的學(xué)者，由天文學(xué)家約翰·弗拉慕斯蒂德領(lǐng)銜，向國王查理二世要求建立一座專用的固定天文臺，以便更好地計(jì)算經(jīng)緯度，來指導(dǎo)在大洋上航行，幫助為英帝國帶來財富的商船隊(duì)與海軍艦隊(duì)的航行。吝嗇的國王任命弗拉慕斯蒂德為第一任御前天文學(xué)家，支給他一小筆薪水，責(zé)令其在倫敦東南郊區(qū)的格林威治建立一座天文臺。弗拉慕斯蒂德為了這所日后世界天文觀測的權(quán)威中心耗盡了心血和積蓄，以至于1719年去世時，冷酷的債主甚至闖進(jìn)格林威治，拿走了部分儀器用以抵償他生前未能還清的債務(wù)。 在與弗拉慕斯蒂德一同進(jìn)入格林威治的第一批英國天文學(xué)家中，還包括年輕的埃德蒙·哈雷。1676年，年僅20歲的哈雷就帶著一架24英尺的望遠(yuǎn)鏡和計(jì)時器，跑到了南大西洋上的圣赫勒拿島，在壞天氣和熱病的折磨下整整度過了兩年，詳細(xì)記錄下了南部天球上341顆恒星的精確位置。今天，他被全球天文愛好者所熟悉，是因?yàn)樗晒Φ仡A(yù)測了人類有史以來首顆有記錄的周期彗星哈雷彗星（1p/Halley）的回歸周期。在此前，彗星還被認(rèn)為是由上帝直接控制的天象，其出現(xiàn)則預(yù)示著災(zāi)難與巨變。哈雷更大的貢獻(xiàn)在于通過長期觀測，于1718年提出，至少有3顆亮度極大的恒星——天狼星、大角星與畢宿五的位置，都與托勒密或同時代希臘天文學(xué)家記載的位置相差甚多，由此證明了哥白尼的假設(shè)——以往被假定為位置恒定的恒星，也是擁有自身運(yùn)動軌跡的。 反射望遠(yuǎn)鏡的勝利 在牛頓之后的200年中，天文學(xué)家們?nèi)〉昧讼喈?dāng)大的成就：從獲悉彗星的光譜、精確地觀測到火星表面到日珥的發(fā)現(xiàn)。然而無論是反射還是折射式望遠(yuǎn)鏡，技術(shù)仍然處于相對的停滯狀態(tài)。直到1879年，英國天文學(xué)家安德魯·安斯利·康芒將一片直徑36英寸的鍍銀反射鏡裝入了自己的天文望遠(yuǎn)鏡。 在康芒之后，改良的反射望遠(yuǎn)鏡迅速使天文學(xué)家的視野拓展到了前所未有的程度，美國以其雄厚的工業(yè)力量和財富成為探索宇宙的新興中堅(jiān)力量。從1919年開始，埃德溫·鮑威爾·哈勃借助加州威爾遜山鏡面直徑達(dá)100英寸的胡克天文望遠(yuǎn)鏡，利用星系光譜計(jì)算，得出了一個創(chuàng)造性的結(jié)論：眾多星系在以驚人的速度遠(yuǎn)離我們。最簡單可信的解釋就是整個宇宙正在膨脹，每個星系與近鄰之間的距離都在加大。到今天，“哈勃定律”已經(jīng)被視為整個天文學(xué)觀測的基本定律，也是人類有史以來得出的第一個關(guān)于宇宙整體的基本變化趨勢。在這一成就的刺激下，更多大型反射望遠(yuǎn)鏡競相出現(xiàn)，最終，于1948年6月落成、被安裝在威爾遜山附近帕洛伊瑪山、鏡面直徑200英寸、以美國天文學(xué)家喬治·艾利·海爾命名的“海爾望遠(yuǎn)鏡”，成為反射型望遠(yuǎn)鏡歷史上的巔峰之作。它能拍攝到暗至23等的天體（亮度只有肉眼可見最暗天體的六百萬分之一），最遠(yuǎn)能探測到距離地球遠(yuǎn)達(dá)幾億光年的暗弱星系——這樣的成就在令人贊嘆的同時，也明白無誤地表示，利用可見天體發(fā)出的光芒作為窺視宇宙的手段，已經(jīng)走到了盡頭。倘若人類還要更進(jìn)一步，就勢必要出現(xiàn)一場全新的天體觀測技術(shù)革命。 從光到微波 具諷刺意味的是，這種全新手段早在19世紀(jì)初就具備了雛形。1800年，曾發(fā)現(xiàn)了天王星的英國天文學(xué)家威廉·赫歇爾在測量太陽光譜不同部分的熱效應(yīng)時，曾發(fā)現(xiàn)，如果把溫度計(jì)放到光譜紅端的外側(cè)時，熱效應(yīng)仍然持續(xù)上升，于是這些不能被肉眼所觀察到的光線就被命名為“紅外輻射”。70年后，蘇格蘭數(shù)學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋建立了完整的電磁理論，并證明，作為一種電磁輻射的光，只占據(jù)了“電磁波譜”中很小的一個部分，仿佛一整副撲克中為數(shù)不多的幾張。由此，天文學(xué)家們很快就相信，除了可見光，太陽和其他行星發(fā)射的其他輻射肯定承載了更多的有用信息。1932年，就職于貝爾實(shí)驗(yàn)室的無線電工程師卡爾·古特·央斯基在新澤西州的荷爾姆德爾建造了一批巨大的、能夠旋轉(zhuǎn)方向的矩形金屬天線陣，試圖發(fā)現(xiàn)哪些因素會干擾無線電波。1932年1月，央斯基被一種每隔23小時56分4秒出現(xiàn)最大值、且始終穩(wěn)定的無線電干擾迷住了。最終，他發(fā)現(xiàn)這股神秘的電波來自宇宙，大約是銀河系的中心位置，于是，這套粗陋的金屬天線就成為世界上第一臺射電天文望遠(yuǎn)鏡。盡管“二次大戰(zhàn)”的爆發(fā)嚴(yán)重阻礙了射電天文探測的發(fā)展，但在戰(zhàn)爭中迅猛發(fā)展的雷達(dá)技術(shù)，卻在戰(zhàn)后“補(bǔ)償”了這段長達(dá)6年的停滯。 用微波回波探測技術(shù)，天文學(xué)家可以窺探那些以往面貌不清的行星的真容，比如一向被濃云遮蔽的金星。1965年，第一張粗略的雷達(dá)金星圖被繪制出來，它顯示這個星球上擁有山脈和類似峽谷一樣的地貌。同樣，不同回波波長的變化，可以計(jì)算出天體接收微波的地點(diǎn)是在接近還是在遠(yuǎn)離我們，從而可以借助計(jì)時器測算出行星自轉(zhuǎn)的速度，比如金星自傳周期為243.1天，水星則是59天。 借助這些形態(tài)各異的天線組合，我們首次能夠了解到在宇宙中最遙遠(yuǎn)的地方，和最久遠(yuǎn)的過去所發(fā)生的一些令人驚奇的事情。1971年發(fā)現(xiàn)的類星體OH471，與地球的距離竟然達(dá)到120億光年，并正在以約等于光速90%的速度遠(yuǎn)離我們——也許人類已經(jīng)探測到了發(fā)生在上百億年前宇宙大爆炸時代的情景。同樣，生命的起源，似乎也能從這些微波中窺見端倪。在彌漫的塵埃云和氣體云中，95%的成分無法借助光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和光譜儀“看”到，然而借助特定原子或原子組合發(fā)射的微波波長，卻能像追蹤罪犯指紋那樣，利用射電望遠(yuǎn)鏡分析它們的成分。1968年，加州大學(xué)的觀測者們測到了來自星際空間水分子和氨分子所特有的波長，證明即便在條件最苛刻的外層空間中，仍然具有一些處于向最簡單生命形態(tài)進(jìn)化的東西。 自此，光和微波，這兩種遙遠(yuǎn)星系向我們傳遞信息的載體，已經(jīng)基本為人類所掌握，而橫亙在觀測者面前的新障礙，就是我們居住的這顆星球本身所造就的局限性。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)無法突破大氣層的阻擋，射電天文望遠(yuǎn)鏡所依靠的基線已經(jīng)是整個地球的直徑，分辨率已經(jīng)達(dá)到極限。正如著名美國科幻作家阿西莫夫于1982年所論斷的那樣，只有將觀測儀器送到遠(yuǎn)離太陽風(fēng)、重力、大氣干擾的太空中去，人類才能將自己的智慧真正延伸至?xí)r空的開始與盡頭。■ |
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