圖為“中國天眼”全景圖。新華社記者 歐東衢攝
圖為HabEx望遠鏡遮星板。NASA
圖為夜空下的郭守敬望遠鏡。
圖為詹姆斯·韋布太空望遠鏡主鏡。NASA
3月16日，據(jù)媒體報道，中國計劃于2023年底發(fā)射一顆新的X射線天文衛(wèi)星——愛因斯坦探針，有望捕捉超新星爆發(fā)時發(fā)出的第一縷光，幫助搜尋和精
確定位引力波源，發(fā)現(xiàn)宇宙中更遙遠、更暗弱的天體，以及那些轉瞬即逝的神秘天文現(xiàn)象。
據(jù)悉，科學家從龍蝦眼睛奇特的聚焦成像原理中受到啟發(fā)，設計出一種特殊的新型X射線望遠鏡，同時具有超大觀測視野和更高的探測靈敏度。
也就是說，這種望遠鏡在看得很寬的同時，還可以看到更暗、更遠的宇宙。正是得益于采用了龍蝦眼望遠鏡技術，愛因斯坦探針衛(wèi)星可以對目前知之甚
少的軟X射線波段進行大視場、高靈敏度、快速時域巡天監(jiān)測。
實際上，像“龍蝦眼”這樣匠心獨具的望遠鏡還有很多，它們或穿梭星宇，或扎根大地，為探索宇宙奧秘貢獻著力量。
郭守敬望遠鏡
光纖配鏡子，魚與熊掌可兼得
在天文望遠鏡的設計領域，始終存在著一個“魚和熊掌無法兼得”的問題，這就是大口徑與大視場的矛盾，簡單地說，就是“看得遠”和“看得廣”無
法兼得。
位于河北興隆縣的大天區(qū)面積多目標光纖光譜天文望遠鏡（LAMOST），又被稱為郭守敬望遠鏡，其最初的研制方案，正是基于解決天文望遠鏡大口徑
與大視場之間的矛盾，為中國自主研制大口徑望遠鏡開辟道路。
LAMOST的整體結構是一臺施密特反射式望遠鏡，來自宇宙的光線首先被一塊名為MA的平面主鏡反射到一塊叫MB的球面主鏡上，光線被匯聚到MB的
焦面，在焦面上迎接這些光線的是4000根光纖，這些光纖會把來自不同方向的光線精準地導入到光譜儀中。正因為有了這4000根光纖，理論上LAMOST可
以同時最多觀測4000顆不同的恒星。這樣就相當于獲得了超級大的一個視場。因此，LAMOST并不是像傳統(tǒng)的光學望遠鏡那樣能拍出很漂亮的天體照片，它
拍到的是天體的光譜。
此外，主動光學技術是LAMOST最核心的關鍵技術。所謂主動光學，就是主動改變鏡片形狀，克服由于重力、溫度和風力造成的鏡面本身形變對成像帶
來的影響，使成像更加清晰。一塊大鏡面做出精確微調是很難的。LAMOST的MA和MB主鏡分別是由24塊和37塊六邊形的小鏡子拼接而成的。研發(fā)團隊在每
一塊鏡片的后面設計安裝了促動器。這些促動器的作用除了承載鏡面的重量外，更重要的是調整鏡面的形狀。
主動光學技術可以通過計算機的算法對小鏡片實現(xiàn)千分之一毫米級的實時調整，使小鏡子可以根據(jù)觀測需求變形，并使各個小鏡子共焦，上千個力促動器
實時控制組成MA的各個小鏡子，以便達到要求的形狀，讓成像更加清晰。
LAMOST創(chuàng)造性地應用多項技術，突破了望遠鏡大口徑與大視場難以兼得的瓶頸，還獲得了一系列觀測成果。2019年3月，LAMOST七年巡天光譜數(shù)據(jù)正
式發(fā)布，里面包含了1125萬條光譜，大約是國際上其他巡天項目發(fā)布光譜數(shù)之和的2倍。至此，LAMOST成為世界上第一個獲取光譜數(shù)突破千萬量級的光譜巡
天項目。
HabEx望遠鏡
或將用“花瓣”阻擋恒星光線
HabEx望遠鏡，即宜居系外行星天文臺。據(jù)悉，它能夠直接拍攝環(huán)繞其他恒星運行的行星。它的觀測目標是從熱木星到超級地球的所有類型行星，但其主
要任務是觀測類地系外行星。
換句話講，HabEx望遠鏡將試著探測環(huán)繞其他恒星運行的行星上的生命跡象。為了實現(xiàn)這一目標，HabEx望遠鏡需要阻擋恒星光線，這樣才能探測到恒星
周圍光線昏暗的行星。
HabEx望遠鏡阻擋恒星光線的第一個方法是安裝日冕儀，這是安裝在望遠鏡內部的一個微小結構，它能夠阻擋恒星的光線，恒星周圍天體的昏暗光線將通
過望遠鏡傳感器進行成像。該望遠鏡擁有一個特殊可變形鏡面，可以微調和調諧，直至光線微弱的行星進入觀察視野范圍。
HabEx望遠鏡阻擋恒星光線的第二個方法就是使用遮星板，它位于望遠鏡前方，形似花瓣有足球場大小，能阻擋恒星發(fā)出的光，但允許行星反射的光照射
到望遠鏡的儀器上。
除了觀測類地系外行星這一主要任務之外，HabEx望遠鏡還將用于天體物理學研究，如觀測早期宇宙、研究大質量恒星以超新星方式爆炸前后的化學成分
等。
“中國天眼”
擁有“視網(wǎng)膜”和“瞳孔”
談及天文望遠鏡，相信很多人都會想起位于我國貴州黔南喀斯特洼地的那口“大鍋”——500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）。
被譽為“中國天眼”的FAST是目前全球單口徑最大、靈敏度最高的射電天文望遠鏡，這口“大鍋”的設計不同于世界上已有的單口徑射電望遠鏡，主要體
現(xiàn)在它的“視網(wǎng)膜”和“瞳孔”上?！耙暰W(wǎng)膜”指反射面，“瞳孔”則指的是饋源艙。
FAST的“視網(wǎng)膜”是由4500塊反射單元組成的主動反射面，索網(wǎng)結構是FAST主動反射面的主要支撐結構，它可以改變自身形態(tài)，一會兒變成球面，一會兒
變成拋物面。就像水手扯動纜繩能控制風帆的方向一樣，通過拉扯鋼索網(wǎng)可以使這口“大鍋”變向，而整個變向過程則由激光定位系統(tǒng)校準。
“視網(wǎng)膜”的設計目標是要把覆蓋30個足球場范圍的信號聚集在一顆小藥丸大小的空間里，盡可能地監(jiān)聽宇宙中微弱的射電信號，而負責接收宇宙信號的是
放在饋源艙內的饋源——類似一個收集衛(wèi)星信號的喇叭式裝置。懸空的饋源艙酷似一顆望向宇宙的“瞳孔”，它重達30噸，被6條400多米的鋼索吊起，移動范圍
可達200米。鋼索網(wǎng)與饋源艙接收器中每一部分的位移都要控制在毫米級，F(xiàn)AST才能正常工作，“看清”宇宙奧秘。
自2020年1月11日通過國家驗收以來，F(xiàn)AST在中性氫譜線測量星際磁場、快速射電暴、脈沖星搜索等天文前沿領域取得一系列重要科學成果。
詹姆斯·韋布太空望遠鏡
“蜂巢”巨鏡“照”出宇宙奧秘
2021年12月25日，詹姆斯·韋布太空望遠鏡發(fā)射升空。作為哈勃太空望遠鏡的繼任者，詹姆斯·韋布太空望遠鏡備受期待，而幾經(jīng)推遲終于升空的它，也不負
眾望地獲得了許多突破性成果，讓人們能夠看清更遙遠的宇宙深空。這些成果都得益于一個蜂巢造型的“大鏡子”。
主要在紅外波段觀測的詹姆斯·韋布太空望遠鏡由光學和科學儀器、遮陽板以及被稱為“航天器總線”的支持系統(tǒng)等部分組成，總重量6.2噸。
詹姆斯·韋布太空望遠鏡的光學模塊采用“三反射鏡消像散系統(tǒng)”：被主鏡捕捉的紅外線要經(jīng)過次鏡和三級鏡反射，再由精細轉向鏡傳遞至科學儀器模塊。直徑
達6.5米的巨大主鏡成為詹姆斯·韋布太空望遠鏡外形最亮眼之處，它由18塊六邊形鏡片拼接而成，采集光線面積達到其“前任”哈勃太空望遠鏡的5倍以上。次鏡由
3個從主鏡正面延伸出來的長臂支撐，三級鏡和精細轉向鏡被安置在主鏡中心凸起的黑色“鼻錐”內。
為使敏感的紅外信號免受太空輻射干擾，詹姆斯·韋布太空望遠鏡需在約零下220攝氏度的低溫環(huán)境中工作。它的主鏡、次鏡和三級鏡鏡片的制造材料均選用金屬
鈹。這種金屬密度低，硬度相對較高，低溫下不易收縮變形。鏡片表面噴涂了一層厚度僅100納米的黃金，其目的是優(yōu)化鏡面反射紅外線性能。
集成科學儀器模塊位于主鏡背面，包含近紅外相機、近紅外光譜儀、近紅外成像儀和無縫隙光譜儀、中紅外儀等設備，它們將對詹姆斯·韋布太空望遠鏡收集到
的光線進行分析成像。
風箏形狀的巨幅遮陽板位于主鏡下方，為詹姆斯·韋布太空望遠鏡抵擋來自太陽、地球和月球的輻射。遮陽板面積接近網(wǎng)球場大小，設計成5層薄膜結構，材質為
鍍鋁聚酰亞胺，距離太陽最近的外層厚度為0.050毫米，其他層厚度0.025毫米。遮陽板將望遠鏡分隔成分別朝向深空和朝向太陽的冷熱兩側，其溫差極限超過300攝
氏度。
發(fā)布首批深空全彩成像、首次直接拍攝到系外行星、探測到迄今最遙遠的星系、穿過層層塵埃探測星系內部情況……自發(fā)射升空以來，詹姆斯·韋布太空望遠鏡帶
給了人們太多驚喜，如今它還繼續(xù)漂泊在太空中，不斷探索宇宙形成之初的奧秘。（記者 魏依晨）
