據報道，2月24日，“中國天眼”FAST又有兩項新發(fā)現：捕獲3例新快速射電暴；首次發(fā)現毫秒脈沖星一種計時噪聲模式。這一消息再次讓FAST成為人們關注的焦點。
FAST是我國擁有自主知識產權的500米口徑球面射電望遠鏡，也是當今世界最大單口徑、靈敏度最高的射電天文望遠鏡，觀測距離達157億光年。
回顧過往，從古代測量天體位置的渾天儀到能看清行星的望遠鏡，從在大氣層外遙看深空的哈勃太空望遠鏡到利用無線電信號“聆聽”天體脈動的“中國天眼”，人類的目光正逐漸向宇宙更深處延伸。
仰望星空，人類究竟能看多遠？請看專家解讀。
地球表面看宇宙：大氣屏障，干擾眾多
在科學家眼里，整個宇宙是一個充斥著各種電磁波、引力波和高能粒子等的喧鬧世界，它們記錄著宇宙演化的軌跡。
在人類的發(fā)明創(chuàng)造下，各種觀測手段得到廣泛運用。其中，最為人熟知的就是光學望遠鏡的發(fā)明，尤其是伽利略改造出的人類首個天文望遠鏡，讓人類看清了地球附近的天體。
這種望遠鏡，針對的是人類肉眼最為熟悉的可見光頻段。然而，科學家們后來意識到了在地球表面觀測宇宙中電磁波和高能粒子的難度：地球的濃厚大氣、電離層、臭氧層和地磁場等，聯(lián)合阻擋宇宙中絕大部分高能粒子和電磁波抵達地表，使望遠鏡變得“失明”?？傮w上，僅給可見光和無線電波等留下了觀測窗口。因此，人類修建的望遠鏡，基本上集中于光學類和射電類。前者集中觀測370～900納米波長的電磁波，主要為可見光；后者集中觀測10厘米～4.3米波長的無線電波。對于其他頻段電磁波，往往無法有效觀測。
即便如此，光學類和射電類望遠鏡的觀測也存在諸多不足之處。氣象條件、大氣流動造成的“眨眼效應”和折射等現象，極大影響了人類最熟悉的可見光頻段觀測。城鎮(zhèn)化進程帶來的光污染等，近些年也成為天文學家的“煩心事”。
于是，將天文望遠鏡“搬出大氣層、送入太空”的想法，就被天文學家們提出來了。1946年，著名天文學家萊曼·施皮茨在論文中全面論述了太空望遠鏡的優(yōu)勢。
從上世紀60年代起，美、蘇兩國進行了一系列太空望遠鏡實驗。例如，1962～1972年間美國的軌道太陽天文臺系列任務，1965～1968年間蘇聯(lián)的質子宇宙射線和粒子探測系列衛(wèi)星，1973～1979年美國的天空實驗室空間站攜帶阿波羅太空望遠鏡……它們共同驗證了太空望遠鏡在太陽系乃至更廣袤宇宙觀測方面的巨大潛力，為人類開啟太空望遠鏡時代奠定了堅實基礎。
太空望遠鏡：航天與天文學結合的極致
早期的太空望遠鏡，主要為解決地球上最難以實現的高頻電磁波和高能粒子觀測問題，尤其是伽馬射線、X射線和紫外線3大類。
高頻電磁波和高能粒子往往代表著宇宙中最為“火爆”的天文現象。例如，伽馬射線暴反映出了大質量恒星塌縮為黑洞、中子星合并和超新星爆發(fā)等。事實證明，以康普頓、雨燕、錢德拉、費米等為代表的太空望遠鏡，推動了相關天文學的發(fā)展。其中，我國近期發(fā)射的首顆暗物質粒子探測衛(wèi)星“悟空”、首顆硬X射線調制望遠鏡衛(wèi)星“慧眼”，均為相應領域做出了貢獻。
在可見光觀測方面，哈勃太空望遠鏡堪稱太空望遠鏡“家族”中的“明星”。它自1990年升空后，已服役30余年，極大改變了人類天文學的發(fā)展進程，數以萬計的經典圖片吸引了廣大天文愛好者。它的成功，是人類航天技術與太空望遠鏡技術結合的一個范例。
哈勃太空望遠鏡最初被設計成一個主鏡片直徑2.4米，擁有廣域和行星照相機、高解析度攝譜儀、高速光度計、暗天體照相機和暗天體攝譜儀等核心儀器的龐然大物。然而，它升空后科學家們才發(fā)現，組裝上去的巨大主鏡片出了問題，鏡片邊緣多出2.2微米。這僅是鏡片直徑的百萬分之一，但對于需要觀測動輒數億光年外天體的哈勃而言，則完全無法接受。最后的選擇是，利用航天飛機在太空中直接維修，給“近視眼”的哈勃太空望遠鏡帶上“一副眼鏡”（太空望遠鏡光軸補償矯正系統(tǒng)）。隨后，利用航天飛機多次維護和更新哈勃，幾乎在太空中重造了它，才使得它工作至今。
可見光和紅外線及微波觀測：洞察人類的未來
可見光觀測，也是人類探索遙遠地外生命存在可能性，尤其是系外行星的重要研究方式。
其中，典型代表是開普勒太空望遠鏡。它主要基于凌星法（即行星擋在恒星前面而導致恒星亮度稍微降低時）開展研究。如果觀測到連續(xù)3次凌星，就可確定星體是顆凌星行星，從而得到星體的軌道周期、大致大小等信息。開普勒太空望遠鏡發(fā)現了近3000顆系外行星，占人類所有發(fā)現的70%以上。
紅外線及微波觀測，也成為近些年太空望遠鏡發(fā)展的熱門。大家耳熟能詳的宇宙微波背景輻射和紅外線背景輻射研究，離不開斯皮茨、赫歇爾、威爾金森和普朗克等著名太空望遠鏡的觀測數據。
這個領域即將誕生人類歷史上最貴的太空望遠鏡——詹姆斯·韋伯，它主要集中于觀測波長為0.6～28.3微米的紅外線頻段。目前，它的預算已逼近100億美元，主要因為它運用了一系列人類目前太空望遠鏡和航天領域的極致技術。
詹姆斯·韋伯的鏡面設計要求是6.5米口徑。這個大小超過了火箭發(fā)射的尺寸限制，選擇方案是加工成18面一模一樣的六邊形，折疊起來再展開。鏡片必須由抗彎剛度強、熱穩(wěn)定性好、熱導率高、密度低的堿土金屬鈹制作而成，要求拋光精度達到10納米級，相當于幾十個鈹原子擺在一起的寬度。
它還需要攜帶一把5層“太陽傘”隔絕熱量，每層完全展開時占用面積300平方米左右，但厚度僅25微米或50微米，甚至小于人頭發(fā)絲的直徑。鏡子和遮陽板都需先疊在一起塞進火箭，送到距離地球150萬千米外的日地拉格朗日L2點，按要求展開。
如果計劃成功，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將極大提升人類對宇宙的認知。
地球是人類的搖籃。它的質量約為太陽的33萬分之一，距離太陽約1.5億千米，光線約8分鐘即可抵達。人類目前已觀測到的宇宙半徑達465億光年，這是光線在465億年內跨過的旅程。
正如航天先驅齊奧爾科夫斯基對地球搖籃的下一句評論一樣，“人類不可能永遠生活在搖籃里”，我們視線必將延伸至宇宙的更深處。
上圖：宇宙膨脹概念示意圖。
下圖：夜色下的“中國天眼”。