科学的科普7 突破极限 2 回望古老的远方

张武昌2024年6月30日星期日

生活不只是眼前的苟且，还有诗和远方。

(1) 望

前面讲了人们对远方的追逐：亲自前往、往地上打钻、着陆行体、探测器远行等。在此之外，人们只能望天兴叹。

人的感官有视觉（电磁波）、听觉（震动）、味觉（化学）、触觉（压力）。其中视觉带来的信息量最多。

人的眼睛瞳孔一般为2～5毫米，平均4毫米左右，阅读时聚焦距离约为30厘米，能分辨的最小距离为0.1毫米，液晶显示器的发光点点距约为0.2-0.3毫米，在2-3米外就不会有像素点的马赛克的效果了。眼睛的最灵敏波长为555纳米。从光子的角度来看，2015年的研究表明三个光子可能是人类的视觉极限。

人类一直梦想着突破视觉的极限，看得更远，看到更小的东西。这一篇讲望远，看小在下一篇讲。

望远一直是人类的追求，三星堆出土的突眼面具被认为是人类对望得更远的向往。

(2) 望远镜

大约在16世纪末，荷兰的眼镜商詹森（Zaccharias Janssen）和他的儿子把几块镜片放进了一个圆筒中，结果发现通过圆筒看到附近的物体出奇的大，这就是现在的显微镜和望远镜的前身。高手在民间，这么重要的发明就这样偶然出现了。

望远镜和显微镜是最重要的科学研究仪器之一。现在我们知道两者的原理是一致的，不同的是目标的距离和阅读距离的关系，目标位于阅读距离以外为望远镜，位于阅读距离以内称为放大镜（单镜片）和显微镜（双镜片，又叫复式显微镜，以区别于单片的放大镜）。

1608年，荷兰的眼镜店主汉斯·利伯希发明了望远镜并申请了专利（世界上最早建立专利制度的国家是当时的威尼斯共和国，它于1474年3月19日颁布了世界上第一部专利法）。伽利略得知以后，开始自己制作望远镜，放大倍数从3倍逐渐发展到30倍（1609年），天文观测正式开始，他被尊称为观测天文学之父、现代物理学之父、现代科学之父。

最初的望远镜直径不过数厘米，收集的光线数量有限，而宇宙中的光线大多是很微弱的，所以最初的发展趋势是增大镜片的直径，可是，当人们制造出更大的镜片，却发现成像很模糊，后来牛顿发现了其中的原因：凸透镜实际上是个棱镜，光线折射后分成不同的颜色，聚焦在不同的焦点上，所以成像模糊。

1671年，牛顿发明了反射望远镜，通过反射的方式避免了棱镜效应。日后的天文观测基本都是反射望远镜。

由于宇宙中光线微弱，用肉眼观察，根本看不到图像。科学家需要将望远镜对准一个目标进行长期观察（曝光），在底片上产生图像，而不是视觉成像，1906年胡克望远镜这个抵消地球自转进行瞄准的装置也是了不起的进步。

为了离天空更近一些（实际是为了减少大气层的厚度），望远镜都安装在山上。美国洛杉矶的帕罗马山上黒尔望远镜的镜片直径有5米多，1948年开始工作，是最大最高的望远镜。苏联在高加索也建造了望远镜。

（3）电磁波谱不同频率的望远镜

有电，就会产生电磁波。因为物质都是由原子构成，由于原子中电子的运动，所有物体都会向外发出电磁波，波长依能量而定。波长由短到长包括伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等等，他们的本质区别就是波长和不同，但是波长和频率相乘都是相同的数值—光速3*10^8米。频率越大能量越大，紫外线能烧伤人类皮肤；X射线能穿透人体，照出骨头来；伽马射线有很强的穿透力，工业中可用来探伤或流水线的自动控制。γ射线对细胞有杀伤力，医疗上用来治疗肿瘤，这就是医疗上提到的放疗（阿尔法射线、贝塔射线不是电磁波，也是放疗的一种）。

除了可见光外，也可以利用其他波段进行观测。目前的天文望远镜已经覆盖电磁波的各个波段。按观测波段分类，天文望远镜分为射电望远镜、微波望远镜、红外望远镜、光学望远镜（可见光望远镜）、紫外望远镜、X射线望远镜、γ射线望远镜、宇宙射线望远镜。光学望远镜成像效果最好。

地球大气层吸收了来自宇宙的大部分电磁波，只有可见光窗口、红外线的7个狭窄的窗口、部分无线电波可以穿透大气层。天文学把穿透大气层的无线电波称为射电波，可能是为了与通信用的无线电波区分。所以除了可见光显微镜外，在地球表面放置的天文望远镜还有射电望远镜和红外望远镜。 其他波段的观测需要发射到太空中，称为空间望远镜。

（4）可观测宇宙

可观测宇宙（哈勃体积Hubble Volume）是通过电磁辐射（电磁波）能够看到还能测算（不是测量）距离和年龄的那部分宇宙。

爆炸之初，物质只能以电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙大爆炸早期，温度很高，整个宇宙电离成了一锅等离子汤，只有自由电子和原子核，没有原子。而光线在这锅汤中传播时，没有多远就被散射、吸收或发射，无法传播很远，所以整个宇宙看起来就像一团迷雾一样不透明。

 宇宙爆炸之后的不断膨胀，导致温度和密度很快下降。宇宙膨胀到约38万年时，温度降到3000K，这个温度下电子和原子核终于逐步形成原子、原子核、分子，并复合成为通常的气体。光线不再被散射或吸收，一瞬间宇宙变得透明了，宇宙产生了第一束光。

这些光线很快由于宇宙膨胀等原因现在的波段位于微波波段，宇宙变成了黑暗，开始了图中所示的黑暗时代Dark Ages。

早在1940年代，伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼就做出了微波背景的理论预言，1964年，美国的两位工程师彭齐亚斯（Arno Penzias）和威尔逊（Robert Wilson）测试他们新设计的号角天线，偶然发现了1948年伽莫夫预言的微波背景辐射，因此获得了1965年的诺贝尔奖。

NASA在1989年发射了COBE卫星对其进行专门研究。1990年美国天文学会的一次会议上，当COBE团队的领导者马瑟（John Mathe）向人们展示COBE的结果，证明温度为2.735K的微波背景辐射确实存在。COBE团队的马瑟和斯穆特（George Smoot）因此获得了2006年诺贝尔奖，诺贝尔奖评委会的公报说，这一工作使宇宙学进入了“精确研究”时代，宇宙论从猜想变为精确科学。

2019年，加拿大美国裔物理学家詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles）和两名来自瑞士天文学家米歇尔·马约尔（Michel Mayor）、迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）获得诺贝尔物理学奖，以表彰他们“在增进我们对宇宙演化，以及地球在宇宙中地位的理解方面所做出的贡献”

皮布尔斯在宇宙学方面的贡献主要集中在宇宙微波背景辐射上。

宇宙的第一束光是向各个方向的，所以不能测算距离和方位，所以微波背景辐射只是可观，但不可测，所以不是可观测宇宙的依据。

气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成我们如今所看到的宇宙。这些恒星和星系发出的光才是可观测宇宙的依据。大爆炸理论中第一个恒星大约在4亿年后出生，所以可观测宇宙的年龄为134亿年前。

（5）望向极限

1990年，直径2.4米的哈勃望远镜来到了600千米的高度（大气层为100千米），它的光学结构是卡塞格林式反射系统，由两个双曲面反射镜组成

2004年，亚利桑那沙漠中3190米高的格雷厄姆上的大型双筒望远镜开始建造，2008年完成。两个凹镜直径分别达8.4米，总面积加起来可达110平方米，镜片的表面加工精度非常高。两个镜筒可以同时对准目标天体，借助光线干涉原理，所获图像的清晰度可与23米直径的镜片相当。它是一个单一整体，因此称为世界最大的单个望远镜。清晰度超过哈勃望远镜10倍。

2021年12月25日，韦伯望远镜发射升空，2022年1月24日顺利进入围绕日地系统第二拉格朗日点的运行轨道，2022年7月中旬，韦布空间望远镜正式开始工作，拍摄第一批用于科学研究的照片。

韦伯望远镜采用卡塞格林式反射系统，主要观测波段为红外，并且拥有4台用来拍摄天体图像及光谱的科学仪器。遮光罩尺寸大约为22米×12米,大约有波音737飞机的一半大，与一个网球场的面积相仿。

其主反射镜比哈勃望远镜大得多。哈勃的镜子直径为2.4米，而韦伯望远镜为6.5米。集光面积增加了6.25倍。

哈勃处于地球轨道上，距离地面约550千米，因此能够被航天飞机发射到太空。韦伯位于日第拉格朗日L2点，距离地球150万千米，通过阿丽亚娜5型火箭运载发射。

2016年3月3日，天文科学家透过哈勃望远镜(Hubble Space Telescope，HST)成功的观测到形成于134亿光年前的新生星系GN-z11，。

2022年，韦伯新发现的GLASS-z13星系，形成于135亿光年前，距离地球的距离是337亿光年。

这两个星系在大爆炸模型中所处的位置如下图中红色箭头指示，可以说目前已经望向了宇宙可以观测的最古老年代。

由于离得太远，星系整体呈现为模糊的一团，很难分辨其中的单个恒星。2022年，美国约翰斯·霍普金斯大学Brian Welch团队通过哈勃太空望远镜，观测到一颗距离地球270多亿光年的恒星，这是截止当时发现的距离地球最远的一颗恒星。由于光在宇宙中传播需要时间，因此这意味着人们看到的这颗恒星仅是其在宇宙大爆炸后9亿年的样子。这颗新恒星所在的星系被称为“日出弧”，因为它的形状是由引力透镜拉伸其光线形成的。研究人员将这颗新恒星命名为Earendel，它来自古英语，意思是“晨星”或“旭日之光”。

在现代天文学领域，探索第一批恒星和星系如何以及何时形成仍是一项重大挑战。

在遥远的螺旋星系中，一颗年轻的蓝色恒星陷入了困境。这颗恒星是与强大的伙伴天体(可能是黑洞或中子星)的联星系统，伙伴的重力非常强，吸收了年轻恒星的外侧。从恒星中剥离等离子体后，发射出了比太阳强100万倍的X射线。2012年，环绕地球的X射线望远镜捕捉到了来自这颗星球的信号的短暂下降，有什么东西从这颗闪耀着X射线的恒星前面经过，从我们的视野挡住了这颗恒星的光长达数小时。宇宙物理学家罗珊娜·迪·斯蒂法诺率领的研究小组目前主张，这个神秘物体可能是迄今为止发现的距离最远、环境最恶劣的行星。这个位于螺旋星系内的X射线联星系统被命名为“M51-ULS-1”，如果这颗行星真的存在的话，M51-ULS-1将成为第一个精确确认拥有“银河系外行星”(在我们所属的银河系之外发现的行星)的星系（2021年论文）。

2023年，波格丹和他的团队利用NASA的望远镜在X射线中在一个名为UHZ1的星系中发现了迄今为止最远的黑洞。这个星系位于Abell 2744星系团的方向，距离地球35亿光年。然而，韦伯的数据显示，该星系比星团更遥远，距离地球132亿光年，当时宇宙只有现在年龄的3%。