互动科普

每当我们仰望璀璨星空的时候，也许很少会想到，我们眼中看到的星空，并不是它们“全部”的模样。事实上，宇宙中的各种天体不断发出各种波段的电磁波，而我们只能看到其中位于可见光波段的部分，对于那些位于比红光波长更长的波段（如红外线等）和比紫光波长更短的波段（如X射线和伽马射线）的电磁波，就只有望洋兴叹了。因此，适合各波段观测的新型望远镜应运而生，人类认识宇宙的步伐又向前大大跨出了一步。

但是，地球有厚厚的大气层，对宇宙各波段电磁波的遮挡、散射和吸收都非常厉害，这就让地面的观测者非常无奈了。那么，有没有什么好办法呢？

前 传

美国的理论物理学家、天文学家莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer）想出了个好主意。他撰写了一篇论文，名叫《地外天文台的天文学优势》，简述了两件事：在地球大气层以外的天文台进行观测时，不会受地球大气衍射的影响，分辨率也会更高；能够在红外线和紫外线波段进行观测，避免被大气层吸收。

当时是1946年，第二次世界大战刚刚结束。那时候不要说什么太空望远镜了，就连能送它进入轨道的火箭都还没影呢！尽管如此，他还是大力推动“把望远镜发射到天上去”的思路，这让很多人印象非常深刻。顺便说一句，差不多20年后的1965年，他被任命为大型空间望远镜的科学目标负责人。

随后，在冷战最激烈的年代，苏美双方展开了针锋相对、气势雄浑的太空竞赛。虽然当时剑拔弩张的气氛笼罩全球，但从科技发展的角度看，那的确是航天史上空前绝后的黄金时代。最后，人类在这种背景下首次成功地踏足月球，这可绝不是什么偶然的巧合。

就在这个时代大背景下，一项小小的天文学研究项目，也悄悄跻身于军味十足的美国太空计划中。OAO（Orbiting Astronomical Observatory，在轨天文台）计划推出于1966年，至1972年结束。在这6年间，NASA（美国宇航局）先后发射了OAO-1、OAO-2、OAO-B和OAO-3共4个轨道观测器，其中2个成功，2个失败。尽管成功率只有一半，但成功的这两台观测器（设计寿命1年的OAO-2服役4年多，OAO-3则服役了8年半）发回了多个重大天文发现。而OAO的最大意义，就是改变了美国天文学家的普遍认识，从此，学界开始认真地考虑发展下一代的太空望远镜了。

命运多舛的HST

1968年，NASA决定研制反射式太空望远镜，称作“大型在轨望远镜”(LOT）或“大型空间望远镜”（LST)。但1974年，由于削减公共开支，美国国会停掉了资金支持。为此，天文学家们又是游说，又是写信，好不容易争取到原预算的一半。然后，项目规模收缩，并开始与欧洲空间局（ESA）合作，以换取对方的投资。经过不懈努力，国会于1978年批准了该项目并拨款3600万美元，NASA开始认真地基于LST方案进行设计，并定于1983年发射。后来，这台望远镜被命名为“哈勃空间望远镜”（Hubble Space Telescope，HST）。

哈勃一生贡献良多，无论是发现河外星系、发现红移还是提出宇宙膨胀理论、提出星系分类法，这其中的任何一项都够某个天文学家青史垂名了。而他发现银河系外还有星系时，那台口径2.5米、当时排名世界第一的胡克望远镜绝对是功不可没。从这个意义上说，太空望远镜被命名为哈勃，不仅是名至实归，也可以说是寄予厚望。

但是，HST的后续发展并不顺利。由于技术问题（磨制镜面时，最先进的计算机抛光技术不成熟，只好回到传统抛光技术等），工期一再延宕，导致项目预算失控并直线飙升，发射日期从1983年推到1984年10月，再推到1986年9月。这时，项目总预算早就大大超过国会拨的那3600万，变成了11.75亿美元。

俗话说，祸不单行。从设计之初，HST就是要坐航天飞机升空的，但在1986年的1月28日，挑战者号航天飞机凌空爆炸，7名宇航员全部遇难。由此，所有航天飞机一律无限期停飞，HST的升空也随之变得遥遥无期。

到了1988年，航天飞机终于恢复了飞行。1990年4月24日，HST搭乘发现号航天飞机成功进入了低地轨道，历经多年折腾后，总算修成了正果。

但上天后，HST也没让人少操心。很快天文学家就发现，它传回的图像有问题，仔细一查，还是镜子没磨好。不处理的话，HST的所有观测计划几乎都要落空。耗资如此之高的尖端设备竟然会因为“镜子没磨好”而稀里糊涂落败，这个尴尬的事实立刻成为了大众的笑料。按计划，1993年将进行第一次在轨维修，而在此之前，天文学家只能干两件事：凑合进行低精度的观测；仔细研究怎么才能修正误差。

但是，HST终归是命不该绝。在轨维修后（特别是换了一批部件后），HST的眼睛立刻清亮了，传回的图像质量大为提高。紧接着，2003年哥伦比亚号航天飞机失事，NASA局长决定，不再使用航天飞机对HST进行维修，实际就是废弃HST。但它再次熬到时来运转，在政府更替、局长换人后，2009年亚特兰蒂斯号航天飞机搭载的宇航员对HST进行了维修。这一下，预计HST至少可以服役到2014年，甚至到2020年。

HST的主要观测波段是可见光和近紫外及近红外波段，形象地说，就是可见光波段向“两端”各延长一些后的波段范围。

寿命最短的CGRO

在HST紧锣密鼓研制的20世纪80年代，NASA的“大天文台”（Great Observatories）计划的概念也逐渐成型了。它包括4台太空望远镜，目标波段互不重合，以进行最全面的宇宙观测活动。

上面介绍了其中的HST，其实，该计划中的每台望远镜都有着自己独立的历史发展渊源。

在1977年的HEAO（高能天文台）计划之后，NASA宣布，要做一个“伽马射线天文台”，后来更名为CGRO（Compton Gamma Ray Observatory，康普顿伽马射线天文台）。1991年4月5日，亚特兰蒂斯号航天飞机携CGRO成功入轨。重达17吨CGRO携带着4种仪器，主要工作在伽马射线及硬X射线波段，波长比可见光要短得多。

1999年12月，CGRO出现了故障。经过反复讨论，NASA决定不修CGRO，而是彻底放弃它。2000年6月4日，CGRO在操控下重入大气层，并在太平洋上空烧毁。

CGRO全名中的康普顿，是为了纪念物理学家阿瑟·康普顿（Arthur Compton）。因为发现了“康普顿效应”，他35岁时就拿了诺贝尔物理学奖！

眼神犀利的CXO

然后，就轮到老三CXO（Chandra X-ray Observatory，钱德拉X射线天文台）出场了。

1976年，NASA收到了AXAF（还是“钱德拉X射线天文台”，但当时不叫CXO而叫AXAF）的构想。之后，研究伽马射线和X射线的HEAO计划中的HEAO2 X射线望远镜，于1978年发射入轨。再以后，为了降低成本，预计搭载CXO的飞船重新进行了设计，CXO也为此进行了瘦身，预计轨道也被改成椭圆形。

1999年，CXO总算上了天，主要观测波段是比硬X射线波长稍长、但仍比可见光波长短得多的软X射线。

至于它的命名，“钱德拉”（Chandra）是“钱德拉塞卡”（Chandrasekhar）的简写。苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar），是印度裔美国天体物理学家，因对恒星结构和演化的研究而于1983年获诺贝尔物理学奖。　

飞得最远的SST

最后一个上天的，则是2003年才进入轨道的SST（Spitzer Space Telescope，斯皮策太空望远镜)。它主要观测比可见光波长更长的红外光。不同于三位兄长，这个小弟弟是惟一一个坐火箭上天的—它不像一般的卫星绕着地球转，而是绕着太阳转，用火箭推它入轨在经济上更合算。

从发展历史看，也是在20世纪70年代开始萌芽，80年代确定计划开发。至于它被命名为“斯皮策”，当然就是为了纪念本文开头提到的那位莱曼·斯皮策了。

4大太空望远镜

尾 声

美国大天文台计划自实行以来，堪称硕果累累。其中，HST名震天下，让无数人们目睹了宇宙之美；CXO和SST则见人所未见发人深思；即便是最早陨落的CGRO，也正常工作了好几年，取得了大量的观测数据。

事实上，这4大太空望远镜运行多年，大大刷新了人类对宇宙的认知，也将天文学这一古老的学科妆点得分外年轻。现在，它们的后继者都已在计划之中。我们相信，人类对宇宙的探索永不停止，而且必定会取得越来越多的成果。

（本文发表于《科学世界》2013年第8期）