STEAM｜极目穹苍—漫谈望远镜｜星岛教室

2024-02-22 12:12

太空是一个充满奇妙的地方，拥有着无尽的神秘和未知之数，而太空观测技术有助我们揭开宇宙的神秘面纱。一座强大的望远镜，能使远离地球数百万光年的星系变得近在咫尺，宛如闪耀的宝石；我们亦可以观察到巨大的行星，发现宇宙中的黑洞。这些发现带领人类开展一趟太空探险之旅，让我们对宇宙的起源和演化有更深入的了解。

天文望远镜

古时人类通过肉眼直接观察天空，记录天体的位置、运动和亮度变化。但随着文明发展，天文观测获重大突破，其中望远镜成关键。

早在17世纪，伽利略（Galileo Galilei）改良了望远镜的制造技术，用来观测天空。到了18及19世纪，随着天文观测技术和仪器的持续改进，人们开始透过大型望远镜研究恒星、行星和其他天体的物理性质、化学成分和演化过程。从20世纪到现在，进入了太空望远镜技术的飞速发展时期。哈勃太空望远镜等卫星观测平台，提供更高质的图像和更精密的数据，为天文学研究开辟新领域。此外，电波望远镜、X射线望远镜等其他类型的观测仪器，也为天文学研究带来新突破。

太空望远镜

随着航天技术的进步，太空望远镜成为天文观测的重要工具。太空望远镜是一种安置在太空中的观测仪器，相对于放置在地面的天文望远镜，太空望远镜的独特之处在于它们位于地球外的太空，从而提供更优良的观测质素。

优势

可观测到地球上无法看到的区域，深入研究遥远星系、行星及宇宙的起源与演化。
由于位于大气层之上，不会因大气层中的气流而扭曲和模糊光线，因此获得更高解析度的图像，让科学家深入研究天体的特徵和结构。
能够打破地球环境的限制，例如光污染和天气变化，有助进行长期而稳定的观测。
可观测到更广泛的电磁波频率范围。这包括可见光、红外线、紫外线和X射线等。不同波长的光线隐含不同讯息，揭示宇宙中不同层面和物理过程，进而提供更全面、多角度的观察。

芸芸太空望远镜中，最著名的例子便是「哈勃太空望远镜」（Hubble Space Telescope，简称HST）。它于1990年发射，至今服务超过30年，取得令人惊叹的科学成果。作为下一代太空望远镜，「詹姆斯．韦伯太空望远镜」（James Webb Space Telescope，简称JWST）于2021年12月发射。它拥有一块总直径6.5公尺的镜片，比哈勃太空望远镜有更高的红外解析度和灵敏度，探测到比哈勃望远镜观测极限亮度低100倍的物体。

除此以外，中国将于2025年发射「巡天号光学舱」（又称「巡天太空望远镜」）。它是中国首个设置于地外空间的大型可见光天文望远镜，它的视场可达到哈勃望远镜的300多倍，提供更高的观测效率。

电波望远镜

除了太空望远镜，电波望远镜（又称「射电望远镜」）也是天文观测的重要工具。其主要组件包括一个大型射电接收器，内置抛物面反射镜和电波接收器，用于集中电波到一个焦点，并转换成电信号。因为宇宙中的电波可以穿透尘埃和气体，通过分析来自电波的频率、强度和极化等特性，天文学家便能获取有关天体结构、成分、运动和能量，亦可了解星际尘埃云、脉冲星和宇宙微波背景辐射等天文现象。

优势

相较于太空望远镜，电波望远镜的优势是建造和操作成本相对较低，并且容易进行更新及维修。
宇宙发放的电波能不受大气干扰，使观测时间和效果比光学望远镜更为稳定。
通过干涉技术，实现高解析度观测，捕捉到更精确的天体结构和细节。
可与其他波长的望远镜进行多波长观测，获取更全面宇宙图像。

现今世界各地都建立了不同的电波望远镜。以中国为例，位于贵州的「500米口径球面射电望远镜」（FAST，又称为「中国天眼」），是中国科学院国家天文台的一座无线电望远镜，亦是目前全球最大、最灵敏的单口径望远镜。除此以外，位于智利北部沙漠的「ALMA望远镜阵列」是大型电波望远镜系统，该阵列由54座口径宽12米的天线，以及12座口径7米的天线，总共66座天线一起协同工作。每座天线个别收集来自太空的辐射，并将所有信号收集分析，藉以提高解析度。近年，电波望远镜首次成功拍摄到黑洞相片（下图），对观察星体带来重大突破。

电波望远镜首次成功拍摄到黑洞相片。

事件视界望远镜

全球合作的「事件视界望远镜」（Event Horizon Telescope，简称EHT）是一个由多个射电望远镜组成的网络。这些望远镜遍布世界各地，形成直径相当于地球尺寸的干涉阵列，犹如一个虚拟的大型望远镜。EHT主要观测黑洞周围的高频率射电辐射，科学家藉此捕捉到黑洞附近的射电辐射，有助重建黑洞的外观。2019年，EHT团队成功拍摄超大质量黑洞M87的相片，为人类对黑洞和相对论物理的理解，提供重要证据。

总括而言，天文观测技术的进步推动了现今天文学的发展。通过不同类型的望远镜和观测方法，我们能够更深入地了解宇宙的结构、演化和物理性质。这些观测结果为理解宇宙的奥秘和推动科学的进步，奠下稳健的根基。随着技术的发展和创新，更多令人振奋的天文观测成果，实在指日可待。