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当今和未来世界十架最强大天文望远镜

Tim — Tue, 08 Dec 2009 13:00:28 +0000

2009年为联合国指定的国际天文年，而2009年也是伽利略首次利用天文望远镜观测星空。1609年，伽利略将望远镜第一次指向天空，这个创举所带来的伟大发现所触发的科技变革深深地影响并改变了人类的世界观、宇宙观。那时的天文望远镜只能看到月球、行星和少量天体，如今，遍布地球表面和太空中的各种类型的天文望远镜，从大型地面双筒望远镜到哈勃太空望远镜，能够对宇宙进行全方位、全时段、全波段的实时探测。以下是美国《大众机械》杂志在这些巨型精密仪器中盘点出的佼佼者——分别是当今最强大的五架和未来最强大的五架天文望远镜。

伽利略时代的望远镜只能将天体放大20至30倍，而今的天文学家不但可以利用巨大的光学望远镜收集可见光，他们还有许多新型武器，这些望远镜可以观测整个电磁波谱——从脉冲星发出的伽马射线到宇宙最深处发出的长波辐射。可以说如今的天文望远镜各个都是工程和科学完美结合体，并且科学家们从未停止对天文望远镜的创新与探索。（点击图片可查看高清晰原图）

当今世界功能最强五大天文望远镜

凯克望远镜（1993年投入使用）

Keck Observatory, began science operations in 1993

莫纳克亚山顶上的凯克双塔

凯克望远镜于1993年投入运行，位于夏威夷莫纳克亚山山顶上，隶属于美国加州理工学院和加州大学。凯克望远镜事实上是双子望远镜，分别为凯克I和凯克II。每个望远镜口径为10米。

凯克望远镜最早建于20世纪90年代，是当时世界上口径最大的望远镜。凯克望远镜先进的适应性光学镜头为后来的计算机驱动镜头的出现打下了基础。由于望远镜的口径不可能无限扩大，最切实可行的办法就是用一些小镜片组合成一台大口径的望远镜。凯克望远镜最关键的改革就是采用了这种系统，它的主镜片由36块口径为1.8米的六角形小镜片组成，组合后的效果相当于一架口径10米的反射望远镜。

凯克望远镜开创了基于地面的望远镜的新时代。它的规模是美国加利福尼亚州帕落马山上的海耳望远镜的两倍，后者在建成后几十年内是世界上最大的望远镜。有人曾认为制造如此之大的望远镜是不可能的，但新科学技术把不可能变为了现实。

哈勃太空望远镜（1990年升空）

Hubble Space Telescope, launched in 1990

绕地轨道上的哈勃空间望远镜

哈勃太空望远镜发射于1990年，重约2.45万磅(约11.11吨)，长约13.3 米，其主镜面直径约为2.4米。隶属于美国宇航局和欧洲航天局。

哈勃太空望远镜服役19年来对太空中的2.5万个天体拍摄了50多万张照片。科学家根据哈勃太空望远镜的观测结果，撰写了7000多篇科学论文，这使哈勃太空望远镜成为人类制造的最高产的科学仪器之一。服役期间，哈勃还帮助测定了宇宙年龄，证实了主要星系中央都存在黑洞，发现了年轻恒星周围孕育行星的尘埃盘，提供了宇宙正加速膨胀的证据以及帮助确认了宇宙中存在暗能量。哈勃望远镜拍摄过许多著名宇宙图片，如蟹状星云、鹰状星云、哈勃深空等，因此，它已成为世界上最著名的太空望远镜。

如今，哈勃太空望远镜已到“晚年”。它的某些技术已日显老旧，比如仍然在使用 INTEL 486 计算机处理器。它在太空的十几年中，经历5次大修，分别为1993年、1997年、1999年、2001年，以及今年5月份的最后一次维修。美国正与欧洲以及加拿大联合开发下一代太空望远镜——詹姆斯·韦布望远镜，后者有望于2013年发射升空代替哈勃。

斯皮策太空望远镜（2003年升空）

Spitzer Space Telescope, launched in 2003

斯皮策太空望远镜假想图

斯皮策太空望远镜发射于2003年，是人类送入太空的最大的红外望远镜，运行在一条位于地球公转轨道后方、环绕太阳的轨道上。该望远镜隶属于美国宇航局和加州理工学院。斯皮策太空望远镜是美国宇航局发射的四大太空望远镜之一。

虽然斯皮策与哈勃都是太空望远镜，但是哈勃以光学观测为主，而斯皮策则以观测天体红外波段为主。所谓红外，说的是望远镜能够探测到目标发出的红外辐射。斯皮策的红外探测灵敏度极高，波长在3微米至180微米之间的红外辐射都能尽收“眼”底。而这个波段因其范围内的辐射抵达地面时会被地球大气层阻挡，一向是地面望远镜的“ 盲区”。因此斯皮策能探测到宇宙中那些难以感知到的天体，比如一些暗淡的小型恒星。与光学天文观测设备相比，斯皮策的红外之“眼”能够穿透尘埃、气体，看到其背后隐藏的无限奥秘。

大型双筒望远镜（2005年投入使用）

Large Binocular Telescope, first light in 2005

雷厄姆山顶之上的大型双筒望远镜

大型双筒望远镜于2005年10月正式投入观测运行，它位于美国亚利桑那州格雷厄姆山顶之上，由美国、日本和德国联合研究和使用。

第一个望远镜是于2004年在美国亚利桑那州格雷厄姆山顶上架设，第二个望远镜是从2005年开始安装。大型双筒望远镜由两个紧紧相邻的望远镜构成，简称LBT，它也证明了双镜头比单镜头效果更好。它们可以分离工作，当合并工作时就像一个单一、更大型的望远镜。两个望远镜的镜头直径均为8.4米，它们提供的分辨率比哈勃的分辨率要高出10倍以上。

费米伽玛射线空间望远镜（2008年升空）

Fermi Gamma-Ray Space Telescope, launched in 2008

费米伽玛射线空间望远镜假想图

费米伽玛射线空间望远镜发射于2008年，运行于近地低空轨道，隶属于美国宇航局、美国能源部和法国、德国、意大利、日本及瑞典等国。

这台世界上最强大的望远镜通过高能伽马射线观察宇宙，最初被称作“伽马射线广域空间望远镜”(Gamma- ray Large Area Space Telescope)，但是当这台望远镜建成后开始正常运行时，人们又根据意大利科学家恩里科·费米的名字给它重新命名。费米伽玛射线空间望远镜能够探测到宇宙中最强大的射线。超大质量黑洞、中子星碰撞以及超新星爆炸都可能发出超强能量辐射。因此，费米伽玛射线空间望远镜的主要任务就是研究黑洞和暗物质。

未来世界功能最强五大天文望远镜

开普勒任务（已于2009年3月6日升空）

The Kepler Mission, launched on March 6, 2009

测试车间中的开普勒任务轨道器

开普勒任务隶属于美国宇航局，它被赋予了神圣的使命——不但要寻找行星，并且要寻找类似地球的行星。寻找的方法非常巧妙，以观察者的角度观察恒星，当围绕恒星运动的行星从恒星前面绕过时，行星会挡住恒星的光芒而形成一个阴影（正如本站在《从火星拍摄的地球和木星位于同一视野中的壮观照片》中提到的从地球上观察到的水星凌日和金星凌日）。如果这块阴影的大小合适，并且周期性出现，那么就可以证明这是一颗类似地球大小的行星。

非常有趣的是，开普勒任务的轨道器并未选择普通的绕地轨道，它选择了一个位于地球背后的拉格朗日点（右图日地月系统中五个拉格朗日点中L2点）。在拉格朗日点上物体受各个天体的引力刚好平衡，因此位于此点的物体的绕地轨道的周期恰好等于地球绕日轨道的周期，这样轨道器就能永远躲在地球背后，不受引力、阳光、气温变化的干扰，这样可以使望远镜看得更远、更清晰。

阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（2012年启动）

The Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array, opening in 2012

阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列假想图

阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列隶属于美国、欧洲和日本宇航局，将被建在智利境内安第斯山脉海拔16500英尺的某处。建成后该阵列将在方圆10英里内拥有66座大型毫米波/亚毫米波天线，这将使其成为世界上最先进的射电望远镜。

如果您认为建造一座天线是非常容易的事情，那么请设想在高寒缺氧的安第斯山脉建造66座大型天线是什么概念？今年年底，将有两辆配有液压平衡装置的1400匹马力的大型车辆将开始把这些天线运到海拔16500英尺处的待建地。在空气如此稀薄的地方，工人们每天最多只能工作8个小时，并且安装每一台天线都将耗去一个工人三个月的工时。

詹姆斯•韦伯太空望远镜（2013年升空）

James Webb Space Telescope, coming in 2013

詹姆斯•韦伯太空望远镜主镜镜片采用了凯克望远镜的制作技术

詹姆斯•韦伯太空望远镜隶属于美国、欧洲和加拿大宇航局，它将接过在太空中服役了二十年即将退役的哈勃太空望远镜的接力棒。但与哈勃不同的是，詹姆斯•韦伯太空望远镜主要用于红外线观测，据美国宇航局官方信息，詹姆斯•韦伯太空望远镜的聚光能力将是其前任的七倍!

詹姆斯•韦伯是1961年至1968年间，阿波罗计划发展黄金时期美国宇航局的掌门人。除了载人航天事业，他还推动了先锋号和税收号无人飞船计划，也是这两艘飞船第一次为人类带回了其它星球的近距离拍摄照片。

巨型麦哲伦望远镜（2011年开始建设）

Giant Magellan Telescope, beginning construction in 2011

巨型麦哲伦望远镜假想图

巨型麦哲伦望远镜隶属于9所大学和研究中心，位于智利拉塞雷纳附近的拉斯坎帕纳斯天文台。前面提到大型双筒望远镜LBT使用两个望远镜同时工作就取得了不俗的成绩，巨型麦哲伦望远镜则更是把这一数字提高到了七，并且每个望远镜镜面直径都达到了8.4米！史都华天文台目前正在美国亚利桑那大学的足球场内建设的这七个巨型望远镜。

偏远和高海拔的智利安第斯山区是建设大型天文望远镜的最佳地点。在建中巨型麦哲伦望远镜的不远处就是早已建成的欧洲甚大望远镜（EVLT），而它的双胞胎兄弟2000年建成的6.5米口镜的麦哲伦望远镜也将和它成为邻居。

三十米口镜望远镜（设计中）

Thirty-Meter Telescope, still in design stage

三十米口镜望远镜假想图

三十米口镜望远镜隶属于加州理工学院、加州大学以及加拿大大学研究天文协会。工程正在选址中，智利或夏威夷都是可能的地点。

顾名思义，该望远镜的主镜直径将达到史无前例的30米！如此巨大的镜面当然只有采用在凯克望远镜上已经取得成功的方法——整个主镜将有492块小镜片组合而成，每个小镜片都能够随时变换形状和位置。三十米口镜望远镜的科学家们希望通过它看到早期宇宙的景象，以弄清恒星和星系真正的形成机制。

即使三十米口镜望远镜获得稳定投资并完成建设而成为世界上最大的望远镜，这个桂冠估计也不能保持很久。因为提议中的欧洲极大望远镜（EELT）预计拥有42米口镜，并且紧随三十米望远镜之后就将开始建设。EELT实际上已经最初设计的微缩版，当初欧洲空间局提议建造一个100米口镜的空前绝后大望远镜（ Europe Overwhelmingly Large Telescope），很显然，这个与足球场大小相等EOLT实际是一个过于复杂和昂贵的不切实际的东西。

英文原文

The 5 Most Powerful Telescopes, and 5 That Will Define the Future of Astronomy

从火星拍摄的地球和木星位于同一视野中的壮观照片

Tim — Fri, 16 Oct 2009 15:16:04 +0000

我们常常听说金星冲（凌）日、水星冲（凌）日。这种现象其实就是从地球的角度观察，金星或水星和太阳的位置重合了，只不过太阳太大了，所以金星或水星就只挡住了太阳的那么一点点，从地球看过去，太阳表面就有产生了个小黑点。值得骄傲的是，中国的古人们很早就观察到这个现象，并且为其起了个非常形象生动的名字——“凌” 或者“冲”。

美丽的太阳系 (via Wikipedia)

2006年11月8日發生的水星凌日。画面中部偏下的小黑点是水星，

左边较大的一个黑点和右边的两个黑点是太阳黑子（via Wikipedia）

那么，如果某个具有视力的物体在火星上，看到地球和木星的重合了会是什么样呢？这是一张NASA某航天器于2003年5月8日，从火星的角度拍摄过去的木星和地球交合（Conjunction，不知道用什么中文词翻译合适。想歪了的忏悔去吧）时的照片，地球、月球、木星和木星的三颗卫星同时出现在了一个视野中，蔚为壮观！”请一定记住点击图片查看巨图，不要错过这壮观景象。

木地同乐 (via GIZMODO)

当然，由于计算机图像技术的日益发达，很多人质疑这张照片的真实性，那么下面就让Tim用一些数据来击退流言吧。

右图是一张拍摄当天的太阳、地球、火星和木星相对位置图片。在地球上看月球我们都知道那28天一个周期的月相变化——新月、上弦月、满月、下弦月，咱们中国人也喜欢在每年农历八月十五的晚上，一边欣赏着那一轮黄澄澄的满月，一边品尝着香酥可口的月饼。

如果按照月相来看第一张大图中火星上的“地相”和“木相”，我们可以看到此时在火星上看来地球是“弦地”，而木星则是“满木”。您结合右图中光源——太阳、反射镜——地球和木星、观察者——火星之间的相对位置，再用一点点简单的初中物理平面反射的知识，就会发现，这张照片上的“地相”和“木相”与当天太阳系各星球的运行轨道是吻合的。

当然，这也是可以伪造的，我们可以说伪造者是个天文学家，伪造的时候也下了不少工夫，至少没有穿帮。不过Tim还是相信这是真的，再来看一组数据。

首先介绍美国航空航天局NASA的太阳系模拟系统——JPL Solar System Simulator。您可以在这个系统中输入任意时间，然后选择观看此时在太阳系中的任意星球上看任意角度的景象。

OK，先在当天从火星瞧瞧木星，Tim选择了“Show me Jupiter as seen from Mars on May 8, 2003”，结果如下图。

火木距离：943.829 百万千米/木星在火星视场中的宽度：31.2″

接下来，瞧瞧地球，Tim选择了“Show me Earth as seen from Mars on May 8, 2003”，结果如下图。

火地距离：139.821百万千米/地球在火星视场中的宽度：18.8″

首先我们看到了，这两张图都证明了2003年5月8日当天，木星和地球的确处于火星的同一视野中。然后，我们做个简单的计算：

从JPL Solar System Simulator得到的数据，火木距离是火地距离的 943.829 ÷ 139.821 = 6.75 倍。~~而木星的体积是地球的11.209倍，~~而木星的赤道直径为142984千米，地球的为12756千米，所以如果两者同时画在平面图形上，木星应该比地球大 142984 ÷ 12756 = 11.209 倍。再考虑上距离的效应，如果二者同时出现在火星的视野中时，那么木星应该比地球大 11.209 ÷ 6.75 = 1.66 倍，读者可以用尺子丈量一下那张图，木星的确比地球大1.66倍。

天文学中丈量天体大小的另一个参数是——视角宽度（Angular Size），同样根据从JPL Solar System Simulator得到的数据，这张照片中木星应该比地球大 31.2 ÷ 18.8 = 1.66 倍。

不同的验证方法，得到了同样的结果。那么读者您就相信这是一张真实的照片吧，让我们一起来感受宇宙的浩瀚、太阳系的美丽、地球的神奇和那无与伦比的人类智慧吧！

纪念人类登月四十周年之一：月亮代表我的心

Tim — Thu, 23 Jul 2009 09:54:15 +0000

2009年7月22日，全食带的人们过足了眼瘾；不在全食带的同志们也被各种日食专题片快餐式地在两个小时之内填鸭了无数天文科普知识。

46亿年来，太阳公公都用他强有力的臂膀牢牢抓住地球宝宝，让她不要变成浪迹宇宙的孤儿，同时无私地给予无限的光和热、哺育她成长，所以当太阳公公决定要躲起来六分钟的时候，地球子民如此轰动也在情理之中。

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不过太阳公公终究没有抛弃我们，在约定好的6分30秒后准时重新出现，地球也恢复了平静。当夜幕降临太阳公公歇息的时候，月亮姐姐仍然会像往常一样笑盈盈地、和蔼可亲地看着我们。她可比太阳公公温柔多了，就算凝视她一晚上，她也不会像太阳公公那样恶狠狠地用紫外线灼伤你的视网膜。

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呵呵，用儿童语言来了一段开场白。下面开始走入正题。