航天之父康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基說過：“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠被束縛在搖籃里。”
人類在地球上已經生活了600萬年，我們的搖籃也一點點擴大，從一個聚落、一片大陸到整個星球。但和浩瀚的星辰大海相比，又如此的渺小。
從遠在拉格朗日點的詹姆斯·韋伯望遠鏡，到藏在貴州深山裡的中國天眼。為了準確、全面地觀測宇宙，人類一直在不斷改進望遠鏡。
本文將簡要盤點一下目前仍在運行的宇宙觀測神器。
哈勃天文望遠鏡
(Hubble Space Telescope，HST)
哈勃天文望遠鏡於1990年4月24日發射升空，並運行至今。其軌道位置為低地球軌道，目前位於地表上方535公里處。
哈勃鎖定目標非常準，相當於能把雷射準確照射在320公里外的硬幣上。哈勃可全天區範圍觀測，可觀測波段為可見光波段和紫外波段。
以“星系天文學之父”埃德溫·哈勃為名
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哈勃主要的科學發現和科研產出有：
1.測量了宇宙中不同天體的距離，對於建立宇宙距離尺度非常重要；
2.觀測到了宇宙的膨脹速度正在加速，為研究暗能量的存在和性質提供了證據；
3.觀測到了遠古星系的形成和演化過程，為研究宇宙早期提供了寶貴數據；
4.通過觀測星系和星團的引力透鏡效應，發現了暗物質的存在；
5.觀測到許多星系中心存在超大質量黑洞；
6.觀測了宇宙背景輻射；
7.發現了柯伊伯帶中的天體和觀測了外太陽系行星和其衛星；
8.觀測到許多系外行星，發現了一些類地行星。
9.通過觀測星雲和年輕恆星，深入了解了恆星的形成過程。
迄今為止，哈勃望遠鏡已經進行了超過150萬次觀測，總存檔數據超過340TB，天文學家使用哈勃數據發表了19000多篇科學論文。
多年來，哈勃望遠鏡拍攝的佳作不少
比如，這張2014年版“創生之柱”▼
再比如，Westerlund 2，絢爛如煙火▼
詹姆斯·韋伯空間望遠鏡
(James Webb Space Telescope, JWST)
韋伯空間望遠鏡原計畫於2007年發射，但一直推遲到2021年12月25日。它是NASA、歐洲太空總署(ESA)和加拿大航天局(CSA)的合作項目。
韋伯空間望遠鏡，長這樣▼
其軌道位置為日地系統的拉格朗日L2點，距離地球至少150萬公里，L2點可以保持背向太陽和地球的方位，易於校準和保護，而且在遠離太陽的一側，所以有利於紅外觀測。
韋伯的特長在紅外觀測，它能夠看到更多，更老的恆星和星系。但L2軌道是不穩定的，需要動力維持望遠鏡姿態和位置，目前韋伯攜帶的推進劑足夠使用10年，所以它的任務目標時間就是10年。
測試中的韋伯主鏡，科幻感爆棚▼
韋伯的主要科學目標是：
1.主要的任務是觀測今天可見與宇宙的初期狀態；
2.尋找宇宙大爆炸後形成的第一批恆星和星系的光；
3.研究星系的形成和演化；
4.研究恆星形成，行星系統的演化過程和生命的起源。
韋伯空間望遠鏡的發現包括但不限於首次直接拍攝系外行星、發現有史以來最遙遠的星系、詳細觀測了系外行星的大氣層和星系碰撞時的恆星形成等，其中還包括前不久拍攝到的一個問號形物體，引起了人們的極大關注。
韋伯望遠鏡拍攝的船底座星雲部分圖像
（橫屏，圖：NASA"s JWST）▼
韋伯望遠鏡2022年拍攝的南環星雲
猶如一塊嵌在黑色絲絨上的藍寶石
（圖：NASA"s JWST）▼
蓋亞任務
(Gaia)
蓋亞任務是歐洲太空總署的太空望遠鏡，致力於繪製一張精確的銀河系三維星圖。該任務於2013年12月19日發射升空，運行至今，正在觀測銀河系內外近20億個星體。其軌道位於日地系統的拉格朗日L2點。
Gaia任務包含兩個望遠鏡，它們以固定的廣角進行觀測，對觀測範圍內的每個天體平均觀測70次，時長持續5年。觀測波段為可見光。
工作中的蓋亞，想像圖▼
Gaia的主要科學產出有：
1.測量我們太陽系的加速度；
2.改進近地小行星的軌道；
3.改進恆星掩星陰影軌道預測；
4.發現了更多的稀有恆星、超高速恆星、新小行星和系外行星，揭示了太空中的氣態結構；
5.揭示銀河系在早期(大約在100億年前)可能與另一個大星系併合後形成；
6.推測銀河系“厚盤”部分在130億年前開始形成，距離大爆炸僅8億年；
7.白矮星隨著內部的冷卻，會變成固體球體。
在Gaia觀測到的天體中，超過99.9%的天體從未被精確測量過距離。預計蓋亞任務結束時，存檔數據將超過1PB。
使用蓋亞第三階段資料繪製的四張圖
（圖：ESA / Gaia / DPAC）▼
“悟空”暗物質粒子探測衛星
(Dark Matter Particle Explorer, DAMPE)
暗物質粒子探測衛星是我國第一個空間天文探測器，命名為“悟空”。由中科院紫金山天文台主導，於2015年12月17日發射。
悟空號的軌道類型為太陽同步軌道，軌道高度約為500公里。原計畫運行壽命為3年，但自從2015年發射後，至今仍在服役，而且工作狀態良好。悟空號總計搭載了四種不同的有效載荷，結構如下圖。
悟空號衛星的科學載荷結構示意圖
（底圖：紫金山天文台）▼
其主要科學目標是暗物質間接探測，次要目標是尋找宇宙射線的起源和伽馬射線天體物理研究，主要科學產出有：
1.2017年，首次在1.5TeV處觀測到了明顯超出的峰值；
2.給出了從40 GeV到100 GeV能段的宇宙線質子精確能譜測量結果，發布了25 GeV和4.6 TeV之間正電子光譜的精確測量結果；
3.“悟空”號衛星530天的運行總計記錄到28億個宇宙線粒子, 科學家從中篩選出了約150萬個高能量的電子, 測量出了這些電子的能譜分布。揭示出電子能譜存在的一處拐折和一處可能的尖峰結構；
4.記錄到明顯增強的伽馬射線爆發現象，這一爆發在12月16日達到了峰值；
5.測量得到的兩個最亮脈衝星的伽馬周期在1GeV-100GeV的能量範圍；
6.揭示了電子和正電子的通量出人意料的形狀。
悟空號在暗物質間接探測方面，具有較強的國際競爭力。
寬視場紅外巡天探測衛星
(Wide-field Infrared Survey Explorer, WISE)
WISE是NASA在2009年發射的空間紅外望遠鏡，運行期間共對約158000顆小行星進行了觀測，其中包括約34000顆新發現的小行星。
該望遠鏡的四個工作波長分別為3.4，4.6，12和22微米，分別記為W1，W2，W3和W4。到2011年2月，固態氫全部耗盡，望遠鏡進入休眠狀態。
2010年，WISE拍攝的C/2007 Q3
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WISE拍攝的圖像（圖：NASA）▼
2013年8月，WISE被喚醒，繼續使用W1和W2波段進行巡天觀測，並更名為NEOWISE，用於探測近地小天體。
截止2022年4月，NEOWISE共對40700個太陽系天體進行了超過120萬次紅外測量，包括1380顆近地小行星和246顆彗星，其中發現了347顆潛在危險小行星和34顆彗星。
NEOWISE位於太陽同步軌道，距離地表525公里，主要任務包括：
1.搜尋近地小行星，為地球撞擊威脅評估提供數據；2.觀測彗星；3.研究小行星族群；4.測量小行星的大小分布和反照率。
C/2020 F3，於2020年被NEOWISE發現
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凌日系外行星巡天衛星
（Transiting Exoplanet Survey Satellite, TESS）
系外行星凌星巡天衛星是一顆由NASA開發，專門用於探測系外行星的望遠鏡，又被稱為“苔絲”。
TESS的軌道位於高地球軌道，為高橢圓軌道，其偏心率為0.55，近地點和遠地點的距離分別約為10.8 萬公里和37.3萬公里。該軌道可以獲得天空南北半球的無遮圖像。
TESS繞地球運行，想像圖
（圖：shutterstock）▼
TESS於2018年4月18日發射升空，預設的主要任務為2年，至今仍在運行。截止2023年8月，TESS發現了373顆已確認的系外行星。
TESS，啟程▼
中國巡天空間望遠鏡
(China Space Station Telescope, CSST)
CSST將是中國第一個光學空間巡天望遠鏡，它於2013年11月立項，預計在2024年發射，將在400公里高的軌道上運行。這意味著CSST具備在軌維護升級的能力。
CSST兼具大視場和高像質的優異性能，是哈勃視場的300倍。CSST的計畫運行期為10年，將對17500平方度的天區進行多波段成像和無縫光譜觀測，並對遴選的天體或天區開展精細觀測研究，以獲取數十億恆星與星系的測光數據和數億條光譜，並通過直接成像搜尋和研究太陽系外行星。
中國巡天空間望遠鏡概念圖▼
CSST的主要科學目標有：
1.對宇宙加速膨脹、暗能量、暗物質、星系成團性和宇宙大尺度結構的研究；
2.星系和活動星系核，包括高紅移星系和超大質量黑洞；
3.恆星活動、形成和演化；
4.系外行星、原行星盤和太陽系天體觀測研究；
5.暫現源/變源和重要天文事件回響，例如引力波搜尋、高紅移伽馬射線暴和快速射電暴等。
“中國天眼”500米口徑球面射電望遠鏡
(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST)
“中國天眼”是目前世界上第一大的球面射電望遠鏡。項目早在1994年就被提出並開始進行預研工作。到2020年1月11日通過驗收，正式開始運行。
“中國天眼”宛如玉盤（圖：共生地球）▼
因為天體目標在運動，所以中國天眼在跟蹤觀測時，拋物面要一直不停地跟蹤變化。於是，反射面不斷變形，懸掛在鋼索上饋源也要進行相應的運動。
為了支持這一功能，中國科學家將4450塊三角形主動反射面安裝在球形的大網兜內表層，大網兜的2225個節點形成了4450個三角形區域，每個節點上有斜拉的鋼索，連線到地面，鋼索下面有液壓促動器往下拽鋼索，每一個節點都可以雙向運動。通過聯合控制，精確調節每個節點的運動距離，就可以使得球面變形成拋物面，實現變形。
功能強大（底圖：壹圖網）▼
其科學目標有：
1.大規模中性氫的巡天調查，繪製宇宙早期圖像；
2.建立脈衝星計時陣，參與未來脈衝星自主導航和引力波探測；
3.主導國際甚長基線干涉測量網，探測天體的超精細結構；
4.檢測星際通信訊號，參與地外文明搜尋。
它是搜尋脈衝星的利器（圖：圖蟲創意）▼
上述神器是當前最為引人矚目的天文觀測設備，為天文學家們帶來了豐富的科學產出。中國在某些方面處於國際前沿地位，例如在暗物質探測和射電望遠鏡領域取得了顯著進展。而在光和熱紅外波段，與國際先進水平仍存在較大差距。
隨著天文學的發展，未來將需要更大口徑的空間望遠鏡來捕捉更多微弱天體的光線。目前已經出現了一些針對未來空間望遠鏡的設計概念，例如大口徑先進技術空間望遠鏡和單孔徑遠紅外天文觀測望遠鏡。這些觀測神器將極大地提高人類對宇宙的認知。
*本文內容為作者提供，不代表地球知識局立場
封面：NASA
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哈勃空間望遠鏡 500米口徑球面射電望遠... 詹姆斯·韋布空間望遠鏡