你有没有想像过一个人躺在柔软草坪上、遥望夜空，看着星光在头顶闪耀，随着时间流逝，银河缓缓转动的壮观景象。或许你曾经在动漫或者电影作品，甚至某些手机发布会看过这些镜头，但拉开自家窗户，伸出头望向天空，天空却是漆黑一片，除了月亮，再怎么努力也只能看到几颗黯淡的星星。 现代人们知道，夜空中的星星是宇宙中发光的恒星和反光的行星，这些星球发出或反射的光穿过遥远的宇宙空间和星际尘埃后最终到达地球。
对工业化时代前的人来说，天空是“透明”的，毕竟那时候还没有电灯，城镇的照明只能透过昏暗的蜡烛和煤油灯，除了少数富裕地区外，大多数人在夜晚只能靠月光照明，在这种没有干扰的环境下，肉眼大约能看到天空中的 3,000 颗星星，如果把范围扩大到整个天球，可以看到大约 6,000 颗星星。
看到还不够，想清楚的看到星星需要什么？
400 多年前，一位荷兰眼镜制造师发现将一块凸透镜和一块凹透镜对准放在一起，可以让远方的物体变近变大，这是人类第一次获得了把远景放大的方法，于是他向荷兰国会申请折射望远镜的专利。专利发布第二年，伽利略对这个望远镜进行了改造，让望远镜的放大倍率从 3 倍变成了 30 倍，这望远镜有了观察星星的能力。如果你想知道伽利略的改进有多重要，可以用自己手上的手机尝试一下 3 倍放大和 30 倍放大的区别。
在获得能放大 30 倍的望远镜后，人类好像拿到了新世界大门的钥匙，伽利略成了人类历史上第一个看到木星卫星的人、第一个看到土星光环的人、第一个清楚看到月亮表面环形山和山谷的人、第一个观测太阳黑子并得出太阳自转的人。
他改良的折射望远镜让天文学进入快速发展期。但因为光学原理，折射望远镜不可避免地存在色差问题，在当时想要解决这个问题，只有加长望远镜的焦距。最夸张之际，有人造出了焦距 180 米的无筒望远镜，但这种望远镜根本没有实用性。
▲ 折射望远镜。（Source：wikipedia）
好在牛顿横空出世，发明了反射式望远镜，这种新型的望远镜不仅去除色差，还很容易产生较短的焦比，带来比折射式望远镜更宽广的视野，除了光学原理带来的观测优势外，采用光学反射原理的牛顿式望远镜内部不需要透镜，相比传统的折射式望远镜生产成本也降低了很多，更适合大量推广。
到了 20 世纪初，体积庞大、制造复杂的大型折射望远镜已经很少人制造，当时实际投入使用的最大折射望远镜是芝加哥大学叶凯士（Yerkes）天文台的 1.02 米望远镜，在 20 世纪建造的大部分光学望远镜，都已换成体积更小，效果很好的反射式望远镜。
反射式望远镜只要放大镜片就能获得更高分辨率的图片，但是用单块玻璃做镜片，直径很难超过 8 米，所以蜂巢式拼接镜面成为了超大型望远镜的理想选择。
地面光学望远镜的局限性
那是不是只需要将望远镜镜片无限放大，我们就能更好地观测宇宙呢？事情并没有这么简单。20 世纪中期，家用电器和电灯泡已经逐渐普及到每一个家庭，发达地区城市的天空灯火通明。从太空望向地球，城市的灯光像棋盘一样，铺满地球每一个角落。
严重的城市光污对天文望远镜观测活动是一个巨大的挑战，除了将天文望远镜搬到荒无人烟的山顶和小岛以外，并没有什么好办法。而如今的科学家们还要面对来自天上的光污染，比如马斯克在近地轨道投放近 12,000 颗小卫星的星链计划。
这些小卫星上携带的太阳能电池板和天线会反射阳光，虽然白天我们无法看见它们，但在夜空中，他们就像明亮的星星，如果只有一两百颗这样的卫星倒不是什么大问题，但如果马斯克的卫星超过人类之前所发射的所有卫星，地面天文台观测将会被严重干扰。
地面不行，把望远镜搬到天上呢？
既然地球上环境对天文观测的干扰因素那么多，为什么不把天文望远镜搬到宇宙中呢？早在 1946 年，天文学家莱曼·史匹哲就提出了太空天文台的设想。直到 1990 年，哈伯望远镜终于随着发现号升空，安放在近地轨道，在没有大气干扰的太空中拍出比地面望远镜分辨率更高、效果更好的图片，同时也能观测地面望远镜无法观测的红外、紫外波段。
截至 2018 年，哈伯望远镜总共探测了 43,500 个天体，观测任务超过 150 万次，我们熟知的许多关于宇宙的宏伟图片，都是由哈伯望远镜所拍摄。它传回来的数据，已经让天文学家发表超过 15,000 篇科学论文，论文的引用量超过 738,000 次，完全可以说：哈伯望远镜就是当代天文学家最明亮的眼睛。自从有了哈伯望远镜，天文学再次进入了高速发展期。
2012 年，NASA 发布了哈伯极深空图片，这篇图片包含前十年哈伯望远镜的影像，在经过进一步处理后，哈伯望远镜拍摄到了 132 亿年前的星系，这片影像总曝光时长达到 200 万秒，相当于对着一个区域拍摄了 23 天。其中最暗的星系，光度甚至只有肉眼可分辨光度下线的1/10000000000（一百亿分之一），这也是人类第一次看到宇宙初生时期的情景。
▲ 哈伯极深空。（Source：NASA）
不过这已经是哈伯望远镜的极限了，做为一台服役近 30 年、无法再次进行维修的太空望远镜，哈伯已经走到了生命尽头。好在 NASA 已经为哈伯准备了新的继任者——詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）。
后哈伯时代，人们要怎样去观测星空？
哈伯望远镜让我们看到了 132 亿年前的宇宙，但人类还想看得更远，宇宙早期的可见光已经红移到红外波段了，直接观测红外光谱显然更加方便。但大气会吸收红外线，不适合红外波段的天文观测，所以太空红外望远镜就成了完成这一任务的最佳选择，为了满足观测宇宙初生时期的需求，NASA 推出詹姆斯·韦伯太空望远镜。
它采用蜂巢式拼接镜面的设计，镀金的反射镜口径达到了 6.5 米，焦距达 131.4 米，反光镜面积是哈伯望远镜的 5 倍以上。我们知道，红外线对于温度非常敏感，为了保证红外探测设备正常运行，詹姆斯·韦伯太空望远镜的反射镜和相机系统，必须工作于 50K 以下的温度环境。
然而太空中可没有大气层遮阳，所以 NASA 为望远镜设计了 5 层展开后面积达到 300 平方米左右的遮阳伞，这些伞重叠在一起，足以让镜片温度从 350K 下降到 50K。为了减轻火箭负担，每层遮阳伞的厚度仅 25 微米（第一层为 50 微米），差不多 2 根头发宽，在发射过程中，5 层遮阳伞还要折叠起来，并在太空中自行展开。仅此一项，就可见其中技术到底有多复杂。
由于红外探测对低热辐射的特殊要求，詹姆斯·韦伯望远镜的遮阳伞必须同时遮挡太阳光和地球的反光。这就需要太阳和地球始终同处一个方向。根据拉格朗日定理，在地球与太阳的引力功能作用下，太空飞行器可以稳定的停留在 L1~L5 这 5 个点中。
可能你会想，只要不在围绕地球的轨道上，是不是同样可以达到目的？的确有红外探测器被安排在这些位置，2003 年，NASA 发射的史匹哲太空望远镜就运行在位于地球公转轨道后方、环绕太阳的轨道上。
由于它相对太阳公转的速度更慢，所以该卫星会以每年 0.1 天文单位的速度逐渐远离地球，最终它会到达 L3 位置，彻底中断与地球的联系；而詹姆斯·韦伯所在的 L2 轨道位置距离地球更近，通信方便之余轨道也更加稳定。
不过将卫星发射到距离地球非常遥远的 L2，也有着很大风险。一旦发射失败，就意味着 NASA 研发 20 年、透入的 100 亿美元经费就此打水漂。为保证发射万无一失，詹姆斯·韦伯望远镜不断地面做模拟实验，发射也从 2018 年跳票延到 2021 年。今年新冠疫情爆发再次打断研发工作，如果今年内疫情都没得到有效控制，明年的发射任务可能会继续跳票。
百万年前，人们仰望天上的星星，或许只是为了满足自己的好奇心，又或者为心灵寻找依托。但随着研究的一步步深入，人类意识到自己或许不是星空中独一无二的生命。从地心说到日心说，最后到宇宙大爆炸，人类对星空的探索越多，对自身的渺小的认识也愈发深刻。
为什么人们明知自身渺小，但还是勇敢探索星空呢？或许，驱动人类不断探索的动力，正是人类对未知的恐惧吧。
（本文由 爱范儿 授权转载；首图来源：NASA）
