看到你生日那天宇宙的，除了哈勃，还有它们……

　　前一段时间，你的朋友圈有没有被这样的星图刷屏？

　　这是NASA为了纪念哈勃运行30周年推出的话题：“哈勃在你生日那天看到了什么？”在官网页面上，输入月份和日期，就能查到对应那一天哈勃望远镜看到的星图。中文媒体上的活动标签叫#你生日那天的宇宙#，在NASA查询页面维护关闭后，还能在微博热帖里找到网友分享的各种星图。

　　“生日之星”的微博话题

　　看到这些炫酷的星图，你是不是也有这样的疑问：为什么我们抬头看到的星空和哈勃望远镜看到的星空不一样？这些星空图片，究竟是怎么来的呢？

　　美丽的星空壁纸，来自于它

　　这次“生日之星”背后，最大的“寿星”是哈勃望远镜。到今年四月为止，它已经发射30周年了。

　　如果想对现代天文学有所了解，绝对绕不过天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）的名字。他是星系物理的泰山北斗，也是提供宇宙膨胀实例证据的第一人。以他命名的“哈勃”望远镜，不仅在普通民众中名声响亮，也是当代最强大的望远镜之一。

　　哈勃望远镜外观

　　哈勃望远镜内部结构

　　与人眼类似，哈勃望远镜接收的，是宇宙中的光。

　　但这个“光”，却并非只有我们日常看得见的可见光。在收束光线的镜面后面，配置了六颗接收仪器。这六只“眼睛”既能 “看见”可见光，也能辨认出人眼看不见的红外线和紫外线。因此，哈勃望远镜“拍”出来的星空和人眼看到的星空注定是不同的。

　　哈勃搭载的六个仪器分别覆盖的波段

　　普通恒星发出的主要是可见光。用可见光相机拍摄宇宙，拍到璀璨的群星，与我们晚上仰望夜空看到的效果类似。

　　红外线含有尘埃、气体发出的光。这些原本黑暗的团块，在红外相机下却宏伟辉煌。除此之外，像彗星、系外行星这样的暗弱天体也适合在红外波段拍摄。不过，哈勃只能看到其中的近红外线，即比较接近可见光的部分。

　　紫外线是能量更高的天体发出的光。刚降生的大质量恒星、星系核心的剧烈运动、黑洞和白矮星等高密度天体的吸积……这些肉眼看来几乎隐形的现象，会被紫外相机呈现得格外明亮。

　　在红外（图1）、可见光（图2）下的天线星系，图3为前两者调色合成。

　　图片来源：JPL -Caltech、KPNO

　　哈勃同时捕捉不同波段的图像，再经过后期处理叠加后，去芜存精，将原本看不到的现象、被遮挡的天体，都以富于美感和揭示力的方式呈现出来。可以说，像最终成图这么绚丽、震撼的效果，即便亲身飞入宇宙也难以见证。

　　宇航员执行第四次维修任务

　　另外，哈勃望远镜的全称是哈勃“空间”望远镜（Hubble Space Telescope），顾名思义，它所在的位置很特殊，位于地球大气层之外。如果发生故障，则需要宇航员乘火箭上天维修。它每年的维护费用，足够再造两个中国“天眼”。大笔的资金，砸出了我们现在看到的珍贵照片。

　　太空中的眼睛，除了哈勃，还有它们

　　哈勃是空间望远镜中的典型代表，名气最大，但它并不是天文学家唯一的“武器”。为了看到近红外、紫外线和可见光之外的东西，我们还需要更多强大的设备。

　　与哈勃同期升空的，还有另外三架空间望远镜，斯皮策、钱德拉、康普顿，它们也都以著名的天文学家和物理学家命名。这“四大天王”是上世纪NASA隆重策划的“大型轨道天文台”计划。

　　四大望远镜看到的同一个蟹状星云的样子。从左至右分别为康普顿、钱德拉、哈勃、斯皮策望远镜。

　　这几架望远镜一起，无缝覆盖了“光”的各个波段。从远红外、近红外、可见光、紫外线，到能量更高的X射线和伽马射线，都能被敏锐地捕捉到。

　　在观测不同天体时，它们看到了一批前所未见的现象，例如系外行星反射的微弱光线，宇宙深处爆发出的高能射线等等。而拍摄相同天体时，不同波段下的不同样貌，又反映出天体的不同性质，帮助科学家进一步解开它们的谜团。

　　斯皮策、哈勃、钱德拉望远镜眼中的M101星系。不同照片中的发光部分不重合，暗示发出不同光线的物质分布不同。

　　当然，空间望远镜远不止这“四大天王”，其它“天兵天将”还包括爱因斯坦、费米、赫歇尔、依巴谷、开普勒、盖亚……它们在科学贡献上也功勋卓著，丝毫不亚于哈勃。因为科学普及的因素，它们在公众中的影响力有限，但决不妨碍它们在科学家心目中的重要地位。

　　探索宇宙，“坐井观天”的地面“巨眼”功不可没

　　太空望远镜避开了地球大气层的干扰，能更清晰地看到宇宙样貌，但是，由于技术的限制，要把太空望远镜成功送上天，则对太空望远镜的规格大小有限制。

　　这种情况下，在地面上建筑的大望远镜，经过技术上的精炼，达到的观测水平丝毫不弱于空间望远镜。

　　从左至右分别为：加纳列大型望远镜、昴星团望远镜、南非大望远镜、新技术望远镜、巨麦哲伦望远镜、大口径全天巡视望远镜

　　从左至右分别为：甚大望远镜、特大望远镜、凯克望远镜、30米望远镜

　　对于望远镜来说，主镜片的口径是它的命门。越是巨大的口径，越能分辨微小的细节，看清楚极其黯淡的光线。望远镜的更新换代，几乎就是以口径大小为标志的。

　　但对空间望远镜来说，发射载荷越重的火箭，成本越高昂，迫使望远镜口径不得不一减再减。哈勃望远镜发射时，尽管动用了性价比较高的航天飞机，主镜片仍被迫“缩水”到800千克，口径也降了20%。

　　而同时期建造的凯克望远镜和甚大望远镜，目标也是对可见光和近红外波段的观测。由于坐落在地面上，主镜片重量却可以达到二十吨的级别，比哈勃的口径大小足足高了一个量级。

　　正在建造中的地面新一代“特大望远镜”，比起凯克和甚大望远镜，又有质的飞跃。可以转动跟踪星体的部分达到了三千吨，光是镜片直径就接近二十层楼高，比好几架哈勃望远镜头尾相连还要长——尺寸上的突破，将使它看到暗弱天体的能力比哈勃强几百倍！

　　比起地面上的凯克望远镜（浅色），斯皮策空间望远镜（深色最左）、哈勃空间望远镜（深色中间）、计划发射的下一代空间望远镜詹姆斯·韦伯（深色最右）的主镜片要小一大截。

　　对于地面望远镜而言，选址很重要。天气越晴朗透明，越远离城市灯火的地方，越有利于观测。世界上顶级的观测地址大多人迹罕至，海拔又高又干燥，例如欧洲的雪山顶峰、夏威夷的火山之巅、南美的荒漠高原……望远镜的白色圆顶像一串明珠，点缀在秀丽的风景间。

　　夏威夷莫纳克亚火山上，排布着13座世界顶尖的望远镜。

　　除了可见光之外，地面也很适宜对射电波进行观测。

　　射电波是比远红外线的波长还要长的光线，根据波长不同还可以细分为微波、毫米波、米波等等。它的性质很特殊——能躲避太阳光的干扰，某些波段还能穿透乌云阴霾。因此，即使在地面，也不易受昼夜和天气影响。

　　天体的射电辐射非常微弱，据统计，迄今为止世界上所有的射电望远镜接收的射电辐射总能量，还不足以举起一张白纸。

　　为了捕捉这种格外微小的能量，射电望远镜需要占据很大的面积。世界上最大的单面射电望远镜，例如阿雷西博望远镜和中国“天眼”FAST，都达到了数百米的直径，与一座山谷相仿。

　　上世纪60年代建成的300米口径阿雷西博射电望远镜

　　除了扩大一台望远镜的口径，还有一种方法，是将多台射电望远镜分散开来，采取名叫“干涉”的技术手段，等价代替一整台巨大的望远镜，这种装置叫做射电望远镜阵列。阵列中的望远镜通过滑轨或者卡车移动，根据不同观测需要而变换位置，占据不同的口径面积。

　　迄今为止最大的射电望远镜，是拍摄黑洞照片的“事件视界”望远镜：阵列里的望远镜散布在各个大洲，它的口径等价于整个地球大小！

　　智利北部荒漠中的阿塔卡玛大型毫米-亚毫米波阵列

　　图片来源：ALMA

　　飞进深空

　　目前我们讨论的都是如何远眺宇宙，不过，如果能亲身飞过去看看，岂不是更好吗？

　　目前，载人火箭只能在月球轨道之内徘徊，但无人探测器已经飞了很远很远。金星，火星，土星……都留下过“人类到此一游”的足迹。飞得最远的当属两台旅行者号探测器，它们已经飞出了太阳系，进入了星际空间。

　　旅行者号上携带寄给外星文明的“金唱片”，上面镌刻着有关人类文明的信息。

　　太阳系中流浪着数十万颗小天体，其中最小的还不到汽车大小，加上反光极为黯淡，只有飞掠它们的探测器才能看清。经过缜密的安排，探测器甚至能与亿万公里外高速飞过的彗星准确相逢，降落在彗星的头部上，采集到样本再返回地球。

　　罗塞塔探测器降落在彗星上（左下为探测器一角）。

　　不过，大多数探测器的旅途都是单程车票。即便是飞到紧邻我们的行星——火星，也只能与地球遥遥通讯，而无法带着样品回来。目前，许多国家都在酝酿火星探测计划，等到人类能够拿到来自火星的样品时，一定会诞生一大批重要发现。

　　来自火星的第一张自拍，由好奇号漫游车发回。

　　发挥想象

　　宇宙大爆炸，太阳系形成，两个黑洞合并，银河系和仙女座星系相撞……这些事件的发生，在空间或时间上与我们相距遥远。看不见摸不着时，不如干脆让想象力发挥作用，怎么样？

　　当然，天文学家绝非凭空幻想，而是用电脑辅助人脑。结合观测数据和科学定律，利用计算机程序进行模拟，也可以得到绚烂的宇宙图像。它们揭示了千奇百怪的天文现象为何出现，以及未来会演化向何方。

　　计算机模拟一点也不比实际观测省力。例如，在检验双黑洞并合的引力波事件时，世界上最大的超级计算机连续运行了几个月之久，才计算出真实世界里不到0.6秒的过程。影视作品里也有计算机模拟的影子。《星际穿越》中超级黑洞“卡冈图亚”的样貌，是三十多名科学家使用上千台计算机劳动一年的成果。

　　模拟双黑洞并合产生的引力波涟漪，彩色用来区别不同类型的波动。

　　图片来源：马克思普朗克研究所

　　影响最大的天体物理模拟，当属用“上帝视角”看宇宙的“千禧模拟”。德国的一台超级计算机，用程序创造了一个方圆二十亿光年的巨大空间，放进超过十亿个虚拟粒子，让它们互相影响运动。经过一个多月的运行，最终形成了视频中的样子。

　　每个最细小的粒子都代表一整个星系，包含着亿万颗太阳这样的恒星。在宇宙级别的大尺度上，星系之间互相抱团黏结，形成蛛网一般的惊人结构。这样的“虚拟星图”刷新了我们对宇宙的认知，也有可能从根本上改变我们对物理理论的理解。

　　空间望远镜、地面望远镜、探测器、计算机模拟……天文学家使用各种各样的方法，力求得到最震撼的星空图片，揭示出宇宙全新的面貌。这些研究给人类世界带来深远影响，其重要性简直无法估量。

　　人类的征途，是星辰大海，这征途或许永远也没有终点，但是路上的风景，足够往我们一直向前。

　　除特别标注外，本文使用的所有影像图片均来自NASA。