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作為世界上光譜觀(guān)測量最大的望遠鏡，拉莫斯特能同時(shí)觀(guān)測4000顆星星，極大提高了對星星們進(jìn)行“戶(hù)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鏡，拉莫斯特將被寫(xiě)進(jìn)望遠鏡的歷史。 山頂上的“導彈發(fā)射井” 河北省境內燕山山脈深處，群山峻嶺之間有一座海拔960米的山頭。每當夜晚降臨，山脈之上的晴夜將會(huì )拉開(kāi)帷幕，上演一場(chǎng)精彩的演出。仿佛上帝之手拉動(dòng)了一個(gè)神秘的開(kāi)關(guān)，萬(wàn)里無(wú)云的夜空中出現無(wú)數眨眼睛的星星。 這是位于承德市興隆縣境內的天文觀(guān)測站，山脊上一座座圓形的拱頂就是一臺臺天文望遠鏡。這群拱頂間有個(gè)雪白嶄新的異類(lèi)，被世界頂級的學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）喻為“充滿(mǎn)未來(lái)派風(fēng)格的導彈發(fā)射井”，它便是新落成的拉莫斯特（LAMOST）望遠鏡。芝加哥大學(xué)的天文學(xué)家唐納德·約克（Donald York）看到它時(shí)說(shuō)：“說(shuō)實(shí)話(huà)我很震驚。” 約克是美國斯隆數字巡天項目的主任，這個(gè)項目通過(guò)使用設立在阿帕拉契山頂天文臺的斯隆數字巡天望遠鏡，對星星們進(jìn)行“戶(hù)口普查”。斯隆望遠鏡直徑2.5米，有640根光纖，能同時(shí)觀(guān)測640個(gè)天體。1999～2005年，此項目的第一期觀(guān)測共獲得了67.5萬(wàn)個(gè)星系、9萬(wàn)個(gè)類(lèi)星體和1.85萬(wàn)個(gè)恒星的光譜，目前所進(jìn)行的第二期觀(guān)測正在對24萬(wàn)個(gè)恒星進(jìn)行光譜觀(guān)測。 然而這些還不夠。面對浩瀚無(wú)垠的星空，天文學(xué)家們想看得更深、更遠，發(fā)現更多更暗的天體，進(jìn)一步做好星星的“戶(hù)口普查”工作，于是拉莫斯特望遠鏡誕生了。此前，斯隆數字巡天望遠鏡是世界上光譜觀(guān)測量最大的望遠鏡，但是拉莫斯特能同時(shí)觀(guān)測4000個(gè)天體，是斯隆數字巡天望遠鏡的5倍多，從而一舉將斯隆望遠鏡的霸主地位取而代之。 拉莫斯特的全名在普通人聽(tīng)來(lái)非常拗口，叫做“大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡”（The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope），拉莫斯特只是它英文縮寫(xiě)LAMOST的中文譯名。 “所謂‘大天區面積’就是巡天。望遠鏡有兩大類(lèi)，一類(lèi)是哈勃望遠鏡那種盯緊單個(gè)天體、觀(guān)察細節的望遠鏡，這是現在大望遠鏡發(fā)展的一個(gè)趨勢；還有一類(lèi)就是拉莫斯特這種重視廣度的望遠鏡，用普查的方式大規模觀(guān)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(yǔ)來(lái)說(shuō)，前者是長(cháng)焦鏡頭，后者是廣角鏡頭。”拉莫斯特項目總經(jīng)理、國家天文臺研究員趙永恒告訴本刊記者，“哈勃之類(lèi)的望遠鏡主要做成像觀(guān)測，它能夠發(fā)現新的天體，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，由望遠鏡所拍攝的巡天照片已經(jīng)記錄下數以百萬(wàn)計的天體，但是它們中只有約萬(wàn)分之一的天體進(jìn)行過(guò)光譜測量。學(xué)過(guò)中學(xué)物理的人都知道，每種原子都有自己的特征譜線(xiàn)，可以根據光譜來(lái)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(xiàn)，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、磁場(chǎng)、密度等。好比說(shuō)，以前知道了有這個(gè)人，還要知道這個(gè)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收階段。驗收完畢后，它將在興隆觀(guān)測站萬(wàn)里無(wú)云的晴夜里，緩緩打開(kāi)圓拱和兩片鏡面之間的大門(mén)，接收來(lái)自遙遠太空的點(diǎn)點(diǎn)星光，窺視宇宙中難得一見(jiàn)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(guò)拱形大門(mén)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(lái)自每顆星星的光被每一條光纖收納，隨后被導入下面鏈接的16臺光譜儀，通過(guò)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(lèi)對它們充滿(mǎn)好奇并進(jìn)行了不懈的觀(guān)察，但是星星在很長(cháng)一段時(shí)間內仍屬于神秘學(xué)說(shuō)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(lèi)絕對無(wú)法得到的知識。”他試圖以此來(lái)說(shuō)明人類(lèi)認識的局限性，但是這個(gè)預言在30年后就被天體光譜技術(shù)打破了。 光是人類(lèi)了解宇宙復雜奧秘的指引，只要物體會(huì )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(shuō)是人類(lèi)學(xué)習如何解讀光的歷史。在天文學(xué)里，看得越遠代表看得越古老，到達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(lèi)便發(fā)明了各種儀器來(lái)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，用國外天文學(xué)家的話(huà)來(lái)說(shuō)，“世界上有很多成像巡天望遠鏡，但是缺少光譜分析巡天望遠鏡，拉莫斯特正趕上了好時(shí)機”。 拉莫斯特的觀(guān)測目標是100萬(wàn)個(gè)星系、100萬(wàn)個(gè)類(lèi)星體，外加1000萬(wàn)顆恒星的光譜，將會(huì )以更高精度的方式來(lái)確定宇宙的組成和結構。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(wèn)題，比如宇宙的結構、星系的形成和演化等等。對于這些物理問(wèn)題的研究，必須依賴(lài)于大量樣本的統計性質(zhì)，才有可能從觀(guān)測資料中確定哪些過(guò)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(lái)說(shuō)，對于它的結構我們并沒(méi)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(guò)拉莫斯特的觀(guān)測結果，我們可以一顆星一顆星分析，從而形成海量數據后分類(lèi)，比如銀河系剛形成時(shí)有哪些元素，超新星爆炸后又有哪些元素，重元素如何越來(lái)越多，銀河系是否一直在吞并周?chē)男⌒窍?#8230;…”趙永恒告訴本刊記者，“再比如，拉莫斯特得到的數據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(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步認識。” 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(guò)觀(guān)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(lái)確定暗能量的性質(zhì)。” 按照國際慣例，望遠鏡獲得的數據在頭兩年的保護期內會(huì )無(wú)償提供給本國的天文學(xué)界使用，兩年后對國際公開(kāi)。陳學(xué)雷說(shuō)：“過(guò)去做研究，我們主要是使用國外已發(fā)表的數據，這樣很難有新的發(fā)現，只能是提出新的理論解釋?zhuān)蛘弑葎e人算得更準更細。如果我們有自己的數據，就可能會(huì )在研究上取得主動(dòng)權，得到更好的成績(jì)。拉莫斯特是我國第一臺進(jìn)入國際研究前沿的大型望遠鏡，希望它能幫我們做出重要的新發(fā)現。” 最富挑戰性的設計 拉莫斯特在世界望遠鏡的隊列中，除了是世界上光譜觀(guān)測量最大的望遠鏡之外，頭上還有兩個(gè)光環(huán)。“一是它解決了大視場(chǎng)和大口徑的矛盾，二是它完美地采用了主動(dòng)光學(xué)技術(shù)，這是最富挑戰性的設計。”拉莫斯特項目總工藝師李國平向本刊記者介紹。 目前，世界上進(jìn)行巡天工作的望遠鏡基本都是施密特望遠鏡。這是上世紀30年代德國光學(xué)家施密特發(fā)明的折反射望遠鏡，用球面反射鏡作為主鏡，在球心處安放一塊“改正透鏡”，大大增加了望遠鏡的有效視場(chǎng)，在“巡天”工作中起到了無(wú)可替代的巨大作用。 “施密特望遠鏡的聚光能力隨著(zhù)口徑的增大而增強，望遠鏡的聚光能力越強，就能夠看到更暗更遠的天體。但是，在制造望遠鏡時(shí)，追求口徑就要犧牲視場(chǎng)，反之亦然。”視場(chǎng)小的壞處就是視限太窄，要對天體一個(gè)或幾個(gè)的進(jìn)行掃描。試想一下，如果用這種速度巡天的話(huà)，要巡到何年何月？ 以前，只有反射型望遠鏡可以做到8～10米的大口徑，并且計劃發(fā)展到30～50米，但是斯密特望遠鏡只能做到直徑1米多。“這是因為透鏡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(shuō)。 后來(lái)，國家天文臺蘇定強院士想出個(gè)好辦法，把施密特望遠鏡的透鏡換成反射鏡，變成反射型施密特望遠鏡。這樣一來(lái)就解決了口徑和視場(chǎng)的矛盾，將拉莫斯特建造成既能看得遠又能看得廣的超強望遠鏡。 這個(gè)改動(dòng)聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單，但是過(guò)去為什么一直沒(méi)有人提議？“這是因為當時(shí)主動(dòng)光學(xué)的技術(shù)沒(méi)有解決。”趙永恒說(shuō)。望遠鏡在觀(guān)測天體時(shí)，需要根據不同的任務(wù)調整觀(guān)測角度，這樣它的不同部位就會(huì )因為重力發(fā)生微小的變化。一旦鏡面變形，就會(huì )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(zhù)它，它的彎曲程度會(huì )有微小的變化，要調節后面所施加的力來(lái)保持它在變化姿勢時(shí)不發(fā)生形變。”趙永恒向本刊記者一邊比畫(huà)一邊說(shuō)，“即使是變化，也是微米級的變化，靠每塊鏡片后的3個(gè)支撐點(diǎn)進(jìn)行調整。沒(méi)有主動(dòng)光學(xué)技術(shù)時(shí)，望遠鏡最大直徑是5～6米，有了主動(dòng)光學(xué)以后就發(fā)展到8～10米。” 除了這兩大特點(diǎn)，還有讓設計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(lái)自不同源頭的“水渠”，光譜吸收系統就是“水庫”，通過(guò)各個(gè)渠道引來(lái)光譜信息。這4000道水渠是并行的，通過(guò)計算機控制做出任何調整。和拉莫斯特相比，斯隆望遠鏡顯得有點(diǎn)“笨”。斯隆望遠鏡的光纖要逐一手工插接在預先鉆好孔的鋁板上，再安裝到望遠鏡上，既繁瑣又浪費了大量金屬材料，而且一旦出錯難以彌補。比如斯隆第一期巡天任務(wù)就消耗了3000塊光纖板，可謂一項浩大的工程。而拉莫斯特光纖定位系統則以相當大膽的設計，節約了材料、資金和時(shí)間，受到了一致好評。 當然，3億元人民幣打造的拉莫斯特也并非無(wú)所不能。作為一種光學(xué)天文設備，它既不能與20億美元級的哈勃太空望遠鏡的“高空間分辨率”性能相比，也不能與每臺1億美元的“8米級”望遠鏡的精測能力相比。“但是拉莫斯特的大范本數據提供，也不是哈勃空間望遠鏡和‘8米級’望遠鏡所能做到的。”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)挑戰之外，興隆的觀(guān)測條件也并非理想，比如大氣擾動(dòng)比較強烈、光污染越來(lái)越嚴重、刮來(lái)的塵沙會(huì )對光潔無(wú)暇的鏡面造成損害等等。“但是興隆已經(jīng)是在可選范圍內最好的選擇，每年的平均可觀(guān)測夜數不少于240天。如果將來(lái)能在青藏高原找到好的天文臺臺址，我們會(huì )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(huì )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到之處和先進(jìn)性，但也面臨著(zhù)國外類(lèi)似項目的競爭，人才、經(jīng)驗方面都有很大差距，也可能投入了大量的時(shí)間精力之后卻發(fā)現，研究成果依然是外國人做出來(lái)的。“所以，我對拉莫斯特的認識比較客觀(guān)，既有期待，但也不會(huì )太高。”他說(shuō)。 不過(guò)，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(lái)的時(shí)間里它將開(kāi)始運行，指引天文學(xué)家發(fā)現宇宙深處的美麗新世界。■ 永遠的“哈勃” 老兵不死，只是凋零。對于“哈勃”這個(gè)老兵，是否也會(huì )如此？ 記者◎曹玲 一推再推的第五次大修 回憶起當年對哈勃太空望遠鏡進(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(huà)那頭接受本刊記者采訪(fǎng)時(shí)依然十分興奮：“那是我在太空最難忘的舉動(dòng)。1993年12月4日，航天飛機伸出遙控機械臂抓住了哈勃，把它固定在專(zhuān)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(jué)真的非常神奇，背對哈勃，面對茫茫宇宙，感覺(jué)像漂浮在無(wú)限的自由里。不過(guò)修復哈勃的任務(wù)也非常艱巨，操作要像外科醫生一樣精細。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(shí)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，用新相機更換了舊相機，那是專(zhuān)為糾正哈勃的主鏡誤差而設計的。又隔了一天，我們進(jìn)行了第三次艙外活動(dòng)，更換了一個(gè)太陽(yáng)能電池帆板的驅動(dòng)裝置，原來(lái)的裝置會(huì )因為太空溫度劇烈變化導致望遠鏡不停地顫抖。3次任務(wù)加起來(lái)，我一共出艙活動(dòng)了24個(gè)小時(shí)，是整整一天。當時(shí)，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。” 那是1993年12月，哈勃升空3年半之后的第一次維修。當時(shí)美國航空航天局派遣7名宇航員乘坐“奮進(jìn)號”航天飛機進(jìn)入軌道修復哈勃，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(kāi)了18年的汽車(chē)，即便當年是如此之風(fēng)馳電掣，現今也難掩力不從心的倦容。 修復時(shí)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，后又將時(shí)間推遲至10月中旬。然而10月底他們又宣布，因哈勃上的數據處理系統出現嚴重故障，無(wú)法正常存儲觀(guān)測數據并傳回地球，將維修計劃推遲到明年年初。 即將到來(lái)的第五次大修是哈勃延續生命的最后機會(huì )，宇航員將乘坐“亞特蘭蒂斯號”航天飛機，從肯尼迪飛行中心出發(fā)，進(jìn)入哈勃太空望遠鏡的軌道，捕捉并修理它。宇航員會(huì )更換被燒壞的巡天相機的電路板，這是哈勃的主相機，那些壯觀(guān)、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(lèi)的眼睛，好奇地凝視著(zhù)宇宙。它是第一個(gè)、也是唯一一個(gè)主要通過(guò)觀(guān)測可見(jiàn)光來(lái)認識宇宙的望遠鏡，傳回了無(wú)數完美清晰、絢爛多姿、細節豐滿(mǎn)的宇宙圖像。如果人眼能看得如此深遠、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(lái)震撼，讓人在面對時(shí)不由自主地感慨：“這就是我們的宇宙！”不論圖片展現的是什么，行星、稠密恒星區、華美的星云、壯觀(guān)的星系碰撞，以及宇宙大尺度結構，每一幅圖片都會(huì )引起你對宇宙空間的私人想象。 哈勃走進(jìn)公眾視線(xiàn)的過(guò)程和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展密不可分，當它拍攝的數字圖像首次進(jìn)入公眾視界時(shí)，正值互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展呈指數級增長(cháng)。和其他有趣、免費的東西會(huì )在網(wǎng)上迅速流傳一樣，哈勃所拍攝的圖片以無(wú)比絢爛的視覺(jué)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(gè)形態(tài)各異的太空望遠鏡圍繞地球飛來(lái)飛去，提供各種宇宙視角，但是人們似乎視而不見(jiàn)，最寵愛(ài)的依然是哈勃?；蛟S是因為其他太空望遠鏡局限在科研范圍，只能觀(guān)測那些人眼看不見(jiàn)的光波，其中有很多還因為大氣層的緣故從未到達過(guò)地球。它們和哈勃不同，大多無(wú)法修復，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。而哈勃在設計之初，就已經(jīng)被考慮到維護問(wèn)題，身上的很多組件都可以比較容易地拆卸下來(lái)，到目前服役期限已經(jīng)超過(guò)太空望遠鏡為期15年的平均壽命。 總之，哈勃就是比其他太空望遠鏡長(cháng)壽，它的使用期限被一再延長(cháng)，任何放棄它的計劃都會(huì )遭到公眾反對。2004年，也就是“哥倫比亞號”航天飛機失事后一年，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目也紛紛譴責美國航空航天局置哈勃于死地的行為，呼吁恢復修復哈勃的基金，讓它多活幾年。國會(huì )最終順應民意，扭轉了美國航空航天局的決定，為哈勃爭取到第五次修復機會(huì )。 哈勃的財富 如果哈勃是個(gè)明星，也是那種一出道就丑聞纏身、后來(lái)通過(guò)自己的神奇天賦和刻苦努力而贏(yíng)得萬(wàn)人寵愛(ài)和尊敬的明星。 哈勃進(jìn)入太空后立刻成為萬(wàn)人矚目的“首席天文臺”，但是歡呼聲剛過(guò)，它就進(jìn)入了一段長(cháng)達3年半的低谷期。天文愛(ài)好者都知道，那幾年哈勃被譏諷為“科技小丑”、“一顆蒙羞的人造衛星廢物”、“哈跛太空望遠鏡”（The Hobbled Space Telescope）。這是因為，它的主鏡竟然出現球面相差，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，結果卻只有小部分對準光核，其余均散布到光核周?chē)臄U散光暈中。這樣一來(lái)，到達哈勃的光線(xiàn)嚴重變形，導致最終拍攝的圖片模模糊糊，算是一個(gè)非常小兒科的錯誤。美國航空航天局花了16億美元，結果送了一個(gè)“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(kāi)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(kāi)工，不像地面上的望遠鏡會(huì )受大氣影響，觀(guān)測范圍幾乎涵蓋太陽(yáng)系內所有天體，原則上可以達到宇宙觀(guān)測的極限。 1995年12月，哈勃用了10天時(shí)間感光，拍攝到一幅名為“哈勃深空”的圖像。圖像中的星系遠在宇宙邊緣，是大爆炸后不久宇宙形象的凍結。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(huì )，是顯示成績(jì)最好的成績(jì)單。 18年間，無(wú)數的研究論文使用了哈勃所得到的數據，高等教科書(shū)的內容一次次被哈勃改寫(xiě)，大學(xué)生們通過(guò)哈勃認識了新的世界和宇宙。這其中，它所做出的最重要的貢獻是解決了持續數十年的宇宙年齡之爭。之前，關(guān)于宇宙年齡的觀(guān)測數據非常糟糕，無(wú)法得到天體物理學(xué)家的信任，有人認為宇宙是100億歲，也有人認為是200億歲。因為整個(gè)宇宙都在以已知的速率擴張，我們可以將時(shí)鐘倒轉，測定多久以前所有東西都在一個(gè)點(diǎn)上。哈勃通過(guò)精確測量遙遠星團中某類(lèi)恒星的亮度變化，代入一個(gè)簡(jiǎn)單的計算公式，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(cháng)久以來(lái)，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(gè)特大質(zhì)量的黑洞正在吞噬恒星、星云和周邊路過(guò)的物質(zhì)。該中心存在如此密集的恒星，基于地球的望遠鏡只能看見(jiàn)由成百上千顆恒星擠成一堆的斑駁的星光。從太空中，哈勃望遠鏡高分辨度的圖像讓我們看到每一顆獨立的恒星，以及它們圍繞銀河系中心的運動(dòng)。那些恒星的移動(dòng)速度遠遠超過(guò)正常值，似乎有一個(gè)小型的、看不見(jiàn)的強大引力牽引著(zhù)它們。為了使方程平衡，研究人員得出結論：一個(gè)黑洞潛伏在銀河系的中心。 在這18年，哈勃收獲了無(wú)數鄙視的口水，也收獲了滿(mǎn)園芬芳的贊美。它被稱(chēng)為是各種眼花繚亂記憶的代言人，比如一個(gè)錯綜復雜的大工程、一次失敗、一個(gè)制造奇跡的機器、一份工作、一件讓人著(zhù)魔的東西、美國航空航天局的未來(lái)、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(chē)般大小的太空望遠鏡。隨著(zhù)天文學(xué)家對觀(guān)測的要求越來(lái)越高，它也開(kāi)始力不從心。美國航空航天局計劃于2013年發(fā)射小型火箭，推動(dòng)哈勃落向太平洋，隨后打撈出來(lái)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·韋伯望遠鏡將于2013年閃亮登場(chǎng)。它不像哈勃那樣圍繞地球旋轉，而是飄蕩在從地球到太陽(yáng)背面150萬(wàn)公里的空間，因為離地面過(guò)遠，即使出了故障也不可能頻繁派人修理。韋伯望遠鏡的口徑達到6.5米，面積為哈勃的5倍以上，觀(guān)測性能將遠超哈勃。但是它主要用于觀(guān)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(huì )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為恒星和行星不過(guò)是天幕中發(fā)光的亮點(diǎn)，而大地則是一片平坦。毫無(wú)疑問(wèn)，沒(méi)有令人信服的視覺(jué)證據，天文學(xué)家僅依靠數學(xué)計算與推測無(wú)法讓人類(lèi)對于宇宙的認識更進(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識整個(gè)外部空間的進(jìn)程。 記者◎朱步?jīng)_ 終結地心說(shuō)的小發(fā)明 故事的開(kāi)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(gè)現代意義上的天文臺，做一系列仔細的火星觀(guān)測記錄。23年后，與丹麥國王鬧翻的第谷來(lái)到布拉格，年輕的德國天文學(xué)家約翰·開(kāi)普勒充當了他的助手。借助導師豐富的觀(guān)察手記，開(kāi)普勒發(fā)現，假如火星是沿著(zhù)某個(gè)橢圓軌道圍繞太陽(yáng)運動(dòng)，而太陽(yáng)正好處于橢圓某個(gè)焦點(diǎn)位置，那么就與第谷的觀(guān)測結果非常吻合。1609年，他出版了《新天文學(xué)》，詳細闡述了自己的想法。幾乎與此同時(shí)，荷蘭澤蘭省米德?tīng)柋な幸晃谎坨R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(gè)淘氣的學(xué)徒在無(wú)聊時(shí)，將陳列的各種透鏡輪流從櫥窗里拿出來(lái)把玩，結果無(wú)意中發(fā)現，如果將兩塊透鏡以一遠一近的順序放在眼前，那么遠處的教堂塔樓、風(fēng)車(chē)等景物會(huì )變得又大又近。當里帕席發(fā)現學(xué)徒的把玩后，他立刻明白，這個(gè)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，把這個(gè)新奇玩意命名為“窺器”，而希臘籍數學(xué)家、羅馬紅衣主教的書(shū)記愛(ài)奧亞尼斯·狄米亞西尼，則建議應當稱(chēng)呼它為“望遠鏡”（Telescope），這個(gè)詞在希臘文中的原意為“在遠處看”。 此前，光學(xué)透鏡在人類(lèi)文明發(fā)展的潮流中只是時(shí)隱時(shí)現，考古學(xué)家們曾在克里特島和小亞細亞出土過(guò)制造于公元前2000年左右的粗糙透鏡。公元10至11世紀時(shí)，著(zhù)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(zhù)述中提到過(guò)光的折射原理，并初步對透鏡的放大功能做出了闡述。13世紀初，牛津大學(xué)圣方濟各會(huì )修士約翰·皮克漢姆根據阿爾哈曾的研究，寫(xiě)過(guò)一部簡(jiǎn)略的《透視法》。最初在荷蘭、比利時(shí)與意大利城市中制造的透鏡被用來(lái)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(wèn)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任數學(xué)教授的伽利略·伽利雷。就在里帕席發(fā)明望遠鏡的同一年，他在游歷威尼斯的時(shí)候也觀(guān)察到了這個(gè)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鏡。凹透鏡在靠近眼睛的一側，稱(chēng)為目鏡，而凸透鏡則被稱(chēng)為物鏡。當他最終將自己長(cháng)1.2米、直徑4.4厘米的望遠鏡指向月球時(shí)，他看見(jiàn)了一個(gè)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與事實(shí)大相徑庭。不僅如此，伽利略進(jìn)一步推論說(shuō)，既然月亮和地球如此相像，而月亮會(huì )沿著(zhù)某個(gè)軌道運動(dòng)，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，擔任托斯坎尼公國的宮廷數學(xué)家和哲學(xué)家，據說(shuō)原因在于伽利略聰明地把觀(guān)測到的四顆木星衛星命名為美第奇星，以討好這個(gè)統治托斯坎尼的意大利豪門(mén)世家。在那里，伽利略借助望遠鏡的觀(guān)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者指出，如果哥白尼的理論成立，那么隨著(zhù)地球在空間中的移動(dòng)，恒星在天球中的位置也應變化。這種情況在天文學(xué)依賴(lài)肉眼觀(guān)測的時(shí)代并沒(méi)有發(fā)生，然而望遠鏡觀(guān)測的結果表明，恒星太遙遠了，以至于位移根本無(wú)法察覺(jué)——在透鏡中，恒星仍然沒(méi)有顯示成為球體，而仍然是一些光點(diǎn)，這個(gè)結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(lèi)似月亮月相一樣的位相，證明金星和這顆地球的衛星一樣，是個(gè)黑暗的天體，它的光亮來(lái)自太陽(yáng)，并且按照橢圓軌道圍繞太陽(yáng)轉動(dòng)。次年他又宣稱(chēng)太陽(yáng)也并非永放光芒、完美無(wú)瑕的天體，因為它擁有難看的瑕疵——太陽(yáng)黑子。盡管這些離經(jīng)叛道的妄言最終導致他于1633年，被迫在羅馬圣瑪利亞修道院的大廳里向10位樞機主教懺悔，接受了被終身監禁的判決，但真正被宣判敗訴的，卻是人類(lèi)陳舊的地心宇宙觀(guān)——200年來(lái)的權威，被一名孤立的觀(guān)測者借助一架簡(jiǎn)陋的儀器在3年內打敗。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(mén)特制造出了第一臺長(cháng)擺鐘，可以在探測距離方面得出前所未有的精確結果。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(guān)測，計算出太陽(yáng)與地球的距離達到了驚人的1.4億公里，而非自希臘時(shí)代以來(lái)就一直被天文界奉為圭臬的800萬(wàn)公里。并且借助時(shí)鐘和測微器，天文學(xué)家們第一次可以通過(guò)角寬度換算來(lái)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寬了大約11倍，至于太陽(yáng)，它的直徑居然是130萬(wàn)公里，超過(guò)地球100倍。 如同歐洲政治霸權的爭斗那樣，巴黎天文學(xué)家最強勁的對手來(lái)自英國。1663年，愛(ài)丁堡的詹姆斯·格里高利設計出了第一臺反射望遠鏡，這件發(fā)明的誕生確是有現實(shí)的需要：傳統的伽利略或開(kāi)普勒式折射望遠鏡已經(jīng)長(cháng)達40米以上，越來(lái)越難駕馭，并且無(wú)法解決諸如天體色差等問(wèn)題。而格里高利則發(fā)現，兩個(gè)橢圓面反射鏡對光線(xiàn)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的提高。1668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鏡。該望遠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(cháng)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(huì )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(zhuān)用的固定天文臺，以便更好地計算經(jīng)緯度，來(lái)指導在大洋上航行，幫助為英帝國帶來(lái)財富的商船隊與海軍艦隊的航行。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，責令其在倫敦東南郊區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(guān)測的權威中心耗盡了心血和積蓄，以至于1719年去世時(shí)，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(zhù)一架24英尺的望遠鏡和計時(shí)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(guò)了兩年，詳細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(ài)好者所熟悉，是因為他成功地預測了人類(lèi)有史以來(lái)首顆有記錄的周期彗星哈雷彗星（1p/Halley）的回歸周期。在此前，彗星還被認為是由上帝直接控制的天象，其出現則預示著(zhù)災難與巨變。哈雷更大的貢獻在于通過(guò)長(cháng)期觀(guān)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(shí)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——以往被假定為位置恒定的恒星，也是擁有自身運動(dòng)軌跡的。 反射望遠鏡的勝利 在牛頓之后的200年中，天文學(xué)家們取得了相當大的成就：從獲悉彗星的光譜、精確地觀(guān)測到火星表面到日珥的發(fā)現。然而無(wú)論是反射還是折射式望遠鏡，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鏡。 在康芒之后，改良的反射望遠鏡迅速使天文學(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力量。從1919年開(kāi)始，埃德溫·鮑威爾·哈勃借助加州威爾遜山鏡面直徑達100英寸的胡克天文望遠鏡，利用星系光譜計算，得出了一個(gè)創(chuàng )造性的結論：眾多星系在以驚人的速度遠離我們。最簡(jiǎn)單可信的解釋就是整個(gè)宇宙正在膨脹，每個(gè)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(gè)天文學(xué)觀(guān)測的基本定律，也是人類(lèi)有史以來(lái)得出的第一個(gè)關(guān)于宇宙整體的基本變化趨勢。在這一成就的刺激下，更多大型反射望遠鏡競相出現，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“海爾望遠鏡”，成為反射型望遠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(jiàn)最暗天體的六百萬(wàn)分之一），最遠能探測到距離地球遠達幾億光年的暗弱星系——這樣的成就在令人贊嘆的同時(shí)，也明白無(wú)誤地表示，利用可見(jiàn)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(lèi)還要更進(jìn)一步，就勢必要出現一場(chǎng)全新的天體觀(guān)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世紀初就具備了雛形。1800年，曾發(fā)現了天王星的英國天文學(xué)家威廉·赫歇爾在測量太陽(yáng)光譜不同部分的熱效應時(shí)，曾發(fā)現，如果把溫度計放到光譜紅端的外側時(shí)，熱效應仍然持續上升，于是這些不能被肉眼所觀(guān)察到的光線(xiàn)就被命名為“紅外輻射”。70年后，蘇格蘭數學(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，只占據了“電磁波譜”中很小的一個(gè)部分，仿佛一整副撲克中為數不多的幾張。由此，天文學(xué)家們很快就相信，除了可見(jiàn)光，太陽(yáng)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)驗室的無(wú)線(xiàn)電工程師卡爾·古特·央斯基在新澤西州的荷爾姆德?tīng)柦ㄔ炝艘慌薮蟮?、能夠旋轉方向的矩形金屬天線(xiàn)陣，試圖發(fā)現哪些因素會(huì )干擾無(wú)線(xiàn)電波。1932年1月，央斯基被一種每隔23小時(shí)56分4秒出現最大值、且始終穩定的無(wú)線(xiàn)電干擾迷住了。最終，他發(fā)現這股神秘的電波來(lái)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(xiàn)就成為世界上第一臺射電天文望遠鏡。盡管“二次大戰”的爆發(fā)嚴重阻礙了射電天文探測的發(fā)展，但在戰爭中迅猛發(fā)展的雷達技術(shù)，卻在戰后“補償”了這段長(cháng)達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，第一張粗略的雷達金星圖被繪制出來(lái)，它顯示這個(gè)星球上擁有山脈和類(lèi)似峽谷一樣的地貌。同樣，不同回波波長(cháng)的變化，可以計算出天體接收微波的地點(diǎn)是在接近還是在遠離我們，從而可以借助計時(shí)器測算出行星自轉的速度，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(xiàn)組合，我們首次能夠了解到在宇宙中最遙遠的地方，和最久遠的過(guò)去所發(fā)生的一些令人驚奇的事情。1971年發(fā)現的類(lèi)星體OH471，與地球的距離竟然達到120億光年，并正在以約等于光速90%的速度遠離我們——也許人類(lèi)已經(jīng)探測到了發(fā)生在上百億年前宇宙大爆炸時(shí)代的情景。同樣，生命的起源，似乎也能從這些微波中窺見(jiàn)端倪。在彌漫的塵埃云和氣體云中，95%的成分無(wú)法借助光學(xué)望遠鏡和光譜儀“看”到，然而借助特定原子或原子組合發(fā)射的微波波長(cháng)，卻能像追蹤罪犯指紋那樣，利用射電望遠鏡分析它們的成分。1968年，加州大學(xué)的觀(guān)測者們測到了來(lái)自星際空間水分子和氨分子所特有的波長(cháng)，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(jiǎn)單生命形態(tài)進(jìn)化的東西。 自此，光和微波，這兩種遙遠星系向我們傳遞信息的載體，已經(jīng)基本為人類(lèi)所掌握，而橫亙在觀(guān)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)望遠鏡已經(jīng)無(wú)法突破大氣層的阻擋，射電天文望遠鏡所依靠的基線(xiàn)已經(jīng)是整個(gè)地球的直徑，分辨率已經(jīng)達到極限。正如著(zhù)名美國科幻作家阿西莫夫于1982年所論斷的那樣，只有將觀(guān)測儀器送到遠離太陽(yáng)風(fēng)、重力、大氣干擾的太空中去，人類(lèi)才能將自己的智慧真正延伸至時(shí)空的開(kāi)始與盡頭。■ |
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