STEAM｜極目穹蒼—漫談望遠鏡｜星島教室

2024-02-22 12:12

太空是一個充滿奇妙的地方，擁有着無盡的神秘和未知之數，而太空觀測技術有助我們揭開宇宙的神秘面紗。一座強大的望遠鏡，能使遠離地球數百萬光年的星系變得近在咫尺，宛如閃耀的寶石；我們亦可以觀察到巨大的行星，發現宇宙中的黑洞。這些發現帶領人類開展一趟太空探險之旅，讓我們對宇宙的起源和演化有更深入的了解。

天文望遠鏡

古時人類通過肉眼直接觀察天空，記錄天體的位置、運動和亮度變化。但隨着文明發展，天文觀測獲重大突破，其中望遠鏡成關鍵。

早在17世紀，伽利略（Galileo Galilei）改良了望遠鏡的製造技術，用來觀測天空。到了18及19世紀，隨着天文觀測技術和儀器的持續改進，人們開始透過大型望遠鏡研究恆星、行星和其他天體的物理性質、化學成分和演化過程。從20世紀到現在，進入了太空望遠鏡技術的飛速發展時期。哈勃太空望遠鏡等衛星觀測平台，提供更高質的圖像和更精密的數據，為天文學研究開闢新領域。此外，電波望遠鏡、X射線望遠鏡等其他類型的觀測儀器，也為天文學研究帶來新突破。

太空望遠鏡

隨着航天技術的進步，太空望遠鏡成為天文觀測的重要工具。太空望遠鏡是一種安置在太空中的觀測儀器，相對於放置在地面的天文望遠鏡，太空望遠鏡的獨特之處在於它們位於地球外的太空，從而提供更優良的觀測質素。

優勢

可觀測到地球上無法看到的區域，深入研究遙遠星系、行星及宇宙的起源與演化。
由於位於大氣層之上，不會因大氣層中的氣流而扭曲和模糊光線，因此獲得更高解析度的圖像，讓科學家深入研究天體的特徵和結構。
能夠打破地球環境的限制，例如光污染和天氣變化，有助進行長期而穩定的觀測。
可觀測到更廣泛的電磁波頻率範圍。這包括可見光、紅外線、紫外線和X射線等。不同波長的光線隱含不同訊息，揭示宇宙中不同層面和物理過程，進而提供更全面、多角度的觀察。

芸芸太空望遠鏡中，最著名的例子便是「哈勃太空望遠鏡」（Hubble Space Telescope，簡稱HST）。它於1990年發射，至今服務超過30年，取得令人驚歎的科學成果。作為下一代太空望遠鏡，「詹姆斯．韋伯太空望遠鏡」（James Webb Space Telescope，簡稱JWST）於2021年12月發射。它擁有一塊總直徑6.5公尺的鏡片，比哈勃太空望遠鏡有更高的紅外解析度和靈敏度，探測到比哈勃望遠鏡觀測極限亮度低100倍的物體。

除此以外，中國將於2025年發射「巡天號光學艙」（又稱「巡天太空望遠鏡」）。它是中國首個設置於地外空間的大型可見光天文望遠鏡，它的視場可達到哈勃望遠鏡的300多倍，提供更高的觀測效率。

電波望遠鏡

除了太空望遠鏡，電波望遠鏡（又稱「射電望遠鏡」）也是天文觀測的重要工具。其主要組件包括一個大型射電接收器，內置拋物面反射鏡和電波接收器，用於集中電波到一個焦點，並轉換成電信號。因為宇宙中的電波可以穿透塵埃和氣體，通過分析來自電波的頻率、強度和極化等特性，天文學家便能獲取有關天體結構、成分、運動和能量，亦可了解星際塵埃雲、脈衝星和宇宙微波背景輻射等天文現象。

優勢

相較於太空望遠鏡，電波望遠鏡的優勢是建造和操作成本相對較低，並且容易進行更新及維修。
宇宙發放的電波能不受大氣干擾，使觀測時間和效果比光學望遠鏡更為穩定。
通過干涉技術，實現高解析度觀測，捕捉到更精確的天體結構和細節。
可與其他波長的望遠鏡進行多波長觀測，獲取更全面宇宙圖像。

現今世界各地都建立了不同的電波望遠鏡。以中國為例，位於貴州的「500米口徑球面射電望遠鏡」（FAST，又稱為「中國天眼」），是中國科學院國家天文台的一座無線電望遠鏡，亦是目前全球最大、最靈敏的單口徑望遠鏡。除此以外，位於智利北部沙漠的「ALMA望遠鏡陣列」是大型電波望遠鏡系統，該陣列由54座口徑寬12米的天線，以及12座口徑7米的天線，總共66座天線一起協同工作。每座天線個別收集來自太空的輻射，並將所有信號收集分析，藉以提高解析度。近年，電波望遠鏡首次成功拍攝到黑洞相片（下圖），對觀察星體帶來重大突破。

電波望遠鏡首次成功拍攝到黑洞相片。

事件視界望遠鏡

全球合作的「事件視界望遠鏡」（Event Horizon Telescope，簡稱EHT）是一個由多個射電望遠鏡組成的網絡。這些望遠鏡遍布世界各地，形成直徑相當於地球尺寸的干涉陣列，猶如一個虛擬的大型望遠鏡。EHT主要觀測黑洞周圍的高頻率射電輻射，科學家藉此捕捉到黑洞附近的射電輻射，有助重建黑洞的外觀。2019年，EHT團隊成功拍攝超大質量黑洞M87的相片，為人類對黑洞和相對論物理的理解，提供重要證據。

總括而言，天文觀測技術的進步推動了現今天文學的發展。通過不同類型的望遠鏡和觀測方法，我們能夠更深入地了解宇宙的結構、演化和物理性質。這些觀測結果為理解宇宙的奧秘和推動科學的進步，奠下穩健的根基。隨着技術的發展和創新，更多令人振奮的天文觀測成果，實在指日可待。