我们的目标是星辰大海（下）

上一期我们了解了人类为什么要发射望远镜到宇宙中去，本期我们将看到，我国即将发射的巡天空间望远镜如何超越哈勃望远镜，以及它能给人类带来哪些期待。

如何超越哈勃望远镜

服役超过30年的哈勃望远镜是一台能够在很小的视野范围里，非常精细地观察天空的太空望远镜。怎样才能够超越它，利用太空望远镜仰望更远处的星空，更多地探索宇宙呢？

有两种思路。一种是建造更大口径的望远镜，这样可以看得更深，获得更暗弱天体的信息，预定在今年发射的6.5米口径的詹姆斯·韦伯太空望远镜就采取了这一思路。另一种思路是建造可以观察更广阔天区的望远镜，以更高的效率，更系统地去研究宇宙，这种望远镜一般被称作巡天式望远镜。我国即将发射的巡天空间望远镜采取的就是这种模式。

巡天空间望远镜是一台主口径为2米的望远镜，整体大小大概像一辆大巴车。它将与天和空间站共轨飞行，而非对接在空间站上。为什么不对接在空间站上呢？因为空间站会抖动，而且空间站很亮，会影响望远镜拍照。但是，巡天空间望远镜也可以回到空间站，与空间站对接，以便进行更新、升级仪器等操作。巡天空间望远镜大概会在2024年前后投入运行。

按照科研人员的设计，巡天空间望远镜的整个生命周期大概是10年，计划拍摄60万次照片，并将全天超过三分之一的图像传送回地球，供全世界所有的科学家进行研究。

巡天空间望远镜可以做什么

在过去，所有的精测望远镜只能看到一两个星系，而有了巡天空间望远镜，人类将能看到成千上百倍的范围。很多现在看来奇怪的、稀少的天体，在巡天空间望远镜的时代都会被大量观察到，我们将看到很多碰撞的星系、发生恒星爆发的星系，以及正在进行剧烈活动的星系……

因为巡天望远镜视场面积很大，我们还可以看一些很大的东西，比如一个近邻的星系。借助巡天空间望远镜，可以一下子把整个星系拍摄到照片里，供科学家进行研究。还可以拍摄一些星系团。这些星系团是宇宙里最大的结构，包括成百上千个非常明亮的星系。过去哈勃望远镜花了巨量的时间极其精细地拍了其中的6个，稍微不那么精细地拍了几十个。未来，会有数万个这样的星系团被巡天望远镜观察到。

但巡天望远镜要做的最重要的一件事情，不是去看宇宙中的明亮的天體，而是试图去看宇宙中那些看不见的东西，也就是暗物质。

在宇宙中，暗物质的总质量是普通物质的5倍以上。暗物质不发光，也不和普通物质发生相互碰撞。那么，怎么去看到这些看不见的物质？巡天望远镜将会观测一种叫作引力透镜的效应。所谓引力透镜并不是一个真的透镜，而是把宇宙中的一些天体当成透镜来研究宇宙。

假设遥远的宇宙中有一颗恒星，或者有一个星系，它发出了光。在这个光线行进的路径上存在着各种各样的其他天体，这些天体的存在会使得宇宙的空间微微的弯曲。这是爱因斯坦在广义相对论中描述的一个效应：因为质量的存在，使得宇宙发生弯曲。天体的质量很大，就可以使宇宙的空间弯曲得稍微厉害一点儿。隔着弯曲的空间去观察更遥远处的宇宙，远处星系的形态就会微微变形。

我们不妨把自己想象成鱼缸里的鱼，透过鱼缸去看外边的世界，世界实际上是有扭曲的。只是扭曲的程度非常轻微，所以我们一般感觉不到。但是，当我们有了巡天空间望远镜海量的精确的星系图像，我们就可以去测量每一个星系的形状，测量出每一个星系到底是圆的还是椭圆的？如果是椭圆的，到底有多椭？

如果宇宙中没有暗物质、物质的话，这些星系的形状会是随机分布的。有的胖一点儿，有的扁一点儿，有的朝东，有的朝西。但如果存在引力透镜效应，那么这些星系的形状、摆向就不那么随机了。如果在一个小的天空区域里去平均这些星系的形状，就会发现有一个残余。这个残余就标志了引力透镜效应的存在，也就能帮助人类去寻找暗物质。

所有的星系都处在不同的距离上，天文学家按照距离把它们进行分类。越远距离的星系发出来的光，到达地球所用的时间就越长，人类所看到的就是越早时期的图像。当把宇宙中所有的星系进行分类，并测量形状之后，科学家就可以做到一件很厉害的事情：把宇宙的物质结构的演化做出来。

什么叫物质结构的演化呢？物理学家认为，在最早期的时候，宇宙各个地方的密度是完全均匀的。宇宙中没有恒星、星系，它们都是后来演化出来的。巡天空间望远镜将通过60万次的曝光，将三分之一的宇宙天空的图像记录下来，而且图像都有非常高的画质。这样的能力，使得我们有办法去研究宇宙物质的演化——不仅是可见的宇宙，还包括我们看不见的宇宙。

此外，巡天空间望远镜还搭载了丰富的精测仪器。有的仪器可以帮人类观察星系中的碳元素;有的仪器可以观测恒星周围有没有行星在围绕着它们转;具备精测能力的相机，可以拍摄小视场的、非常精确的图像;还有一种非常有意思的仪器叫作积分视场光谱仪，它可以把一个星系每一个位置都拍一条光谱，这条光谱会告诉我们星系在这个位置上的各种各样的物理信息。

当这些丰富的精测仪器和巡天相机拍摄的图像结合到一起的时候，科学家就有能力从一个小的尺度到一个极广大的尺度去了解宇宙，从地外行星，到恒星，再到星系……一直到宇宙全景。

中国载人航天工程巡天空间望远镜将是中国天文学迈向国际领先的巨大机遇。如果说哈勃望远镜用高清晰的图像为人类掀开了宇宙的一角，那么巡天空间望远镜将会给人类带回整个宇宙的高清晰全景图像。届时普通公众也可在网络上访问巡天空间望远镜拍摄到的美丽图片，直观地感受宇宙的浩瀚和美丽。

（注：本文根据中国科学院国家天文台研究员李然的相关文章整理，有删节）