标签： 望远镜

2019年11月28日，国际顶尖科学期刊《自然》在线发布了我国天文学家主导的一项重大发现。中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究员领导的研究团队发现了一颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞，这颗70倍太阳质量的超大恒星级黑洞远超理论预言的质量上限，颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知，势必推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。

一、宇宙吸光器

　　霍金在其最后的著作《十问》中写道，“事实有时候比小说更奇妙，黑洞最能真实地体现这一点，它比科幻作家想象的任何东西都更奇妙”。 1915年爱因斯坦提出广义相对论，德国物理学家卡尔·史瓦西推导出了爱因斯坦场方程式的一个精确解，预示了黑洞的存在。自此人类就没有停止过对这种神秘天体的想象和探索。

　　1965年，天鹅座X-1因其强X射线辐射成为第一颗被发现的黑洞侯选体；2015年，首次探测到的引力波为黑洞的存在提供了更为具体的证据；2019年，天文学家历时10年利用四大洲八个观测点捕获了黑洞的视觉证据——首张黑洞“芳容”，让这个曾经“看不见摸不着”的诡异天体有了一丝亲和力。黑洞到底是什么，为何让一代代天文学家为之如此着迷？本身不发光，密度非常大（把10倍于太阳质量的恒星压缩到直径为北京六环大小的球体中，这样的密度就相当于黑洞的密度），具有超强的吸引力，任何从其身边经过的物质，就连速度最快的光也无法逃离，这种神奇的天体就是黑洞。因此可以说，黑洞是名副其实的宇宙真空“吸光器”。

　　天文学家根据黑洞质量的不同，将黑洞大致分为恒星级黑洞（100倍太阳质量以下）、中等质量黑洞（100倍-10万倍太阳质量）和超大质量黑洞（10万倍太阳质量以上）。恒星级黑洞是由大质量恒星死亡形成的，是宇宙中广泛存在的 “居民”。一颗恒星演化到最后如果剩下的质量太多（大于3倍太阳质量），多到既不能形成白矮星，也不能成为中子星，一旦进入死亡阶段，就没有任何力量可以阻止这颗恒星在终极引力的作用下持续塌缩，最终形成致密的黑洞。球状星团和矮星系中心或许有中等质量的黑洞，而在星系的中心存在着超大质量黑洞，比如银河系中心就有一个约400万倍太阳质量的超大质量黑洞。

二、如何观测恒星级黑洞

　　黑洞神秘而又有趣，若龙潜深渊，隐藏爪牙，潜行于宇宙星海中。如果黑洞与一颗正常恒星组成一个密近双星系统，黑洞就会露出狰狞的爪牙，以强大的“胃口”直接把恒星伴星上的气体物质吸过来，形成吸积盘，发出明亮的X射线光（图一）。这些X射线光如同这些物质被黑洞吞噬前的“回光返照”，就是这一“照”成为天文学家过去这些年追寻黑洞踪迹的强有力线索。然后，天文学家会通过监测伴星的运动，测量黑洞的质量，这适用于明亮伴星的黑洞系统。另一种方法是对于稀少的双黑洞，科学家主要通过引力波实验聆听时空的涟漪，进而推知黑洞并合事件。

　　迄今为止，银河系中几乎所有的恒星级黑洞都是通过黑洞吸积伴星气体所发出的X射线来识别的。过去的五十年里，人们用该种方法发现了约二十颗黑洞，质量均在3到20倍太阳质量之间。

　　银河内有数以千亿计的恒星，按照理论预测，银河系中应该有上亿颗大质量死亡形成的恒星级黑洞，而在黑洞双星系统中，能够发出X射线辐射的只占一小部分。当黑洞和它的伴星距离较远时，我们的“大胃王”也会表现出平静温和的一面，那对于这些平静态（不吸积伴星气体）的黑洞如何来搜寻呢？天文学家在发现这颗最大恒星级黑洞的过程中给出了全新的答案。

图一 黑洞吸积喷射出X射线的艺术想象图（来自网络）

三、捕捉“深藏不露”的黑洞

　　国家天文台领导的研究团队在浩瀚星海中发现了一个表现异常的双星系统，这其中会不会包含一颗深藏不露的黑洞？700多天的追逐之路饱含了艰辛和精彩。

　　2016年初，LAMOST科学巡天部主任张昊彤研究员和云南天文台韩占文院士提出利用LAMOST观测双星光谱，开展双星系统的研究计划，并选择了开普勒一个天区（K2-0）中的3000多个天体进行了为期两年的光谱监测。在这其中有一颗“走路拉风”的B型星引起了研究人员的关注，这颗星表现出规律地周期性运动和不同寻常的光谱特征。

　　组装完成的詹姆斯·韦伯望远镜（包括其“遮阳伞”和模块式组件）已完成部分配置，还将进行进一步安装。

　　新浪科技讯 北京时间1月6日消息，据国外媒体报道，NASA的詹姆斯·韦伯望远镜目前定于2021年3月发射。而在此之前，该项目经历了年复一年的推迟和数十亿美元的资金投入。尽管浪费了大量时间和资金，但这台望远镜将成为红外波段毋庸置疑的“王者”，让我们得以首次触及宇宙中曾经遥不可及的偏远角落。

　　从宇宙诞生后形成的第一批星系、到外星生命存在的可能性，要想进一步了解宇宙万物，斥资约97亿美元的詹姆斯·韦伯望远镜将是我们唯一的希望。

　　不畏严寒

　　尽管詹姆斯·韦伯太空望远镜（简称JWST）被奉为NASA传奇性的哈勃望远镜的“继任者”，但事实并非如此。哈勃主要是一台光学望远镜，能够捕获的光线波长范围与人眼差不多，仅向红外线和紫外线波段稍微扩展了一些。论其本质，哈勃望远镜就像一颗巨大的、在太空轨道上运行的眼球，不断传回令人震惊的图片。而假如你的光觉神经和它一样强大，你自己就可以看见这些惊人的景象。

　　但詹姆斯·韦伯望远镜则不然。它将完全在红外波段内进行观测，几乎不会触及人眼能看到的最“红”的波段。换句话说，它将研究一个对人类而言近乎隐形的宇宙。

　　詹姆斯·韦伯望远镜之所以这样设计，主要原因之一是，从地表开展红外波段观测的难度很大。天文学家要想开展精确观察和测量，必须确保夜空绝对晴朗，但地面上的光污染严重限制了观测条件。

　　而红外光污染更是无处不在，因为任何有温度的物体都会发出红外光。人体可以产生100瓦特的红外辐射。地球本身热量也很高，在红外波段显得明亮夺目。就连望远镜自身在室温下也会发出红外光辐射。

　　总之，我们从地面上并不是完全不能开展红外天文学观测，只是难度极大。因此，我们选择将詹姆斯·韦伯望远镜放置在太空中。

　　离家远行

　　为避开地球的红外光影响，詹姆斯·韦伯望远镜将在距地球150万公里处运行。尽管远离了地球，但太阳也是个问题。你一定感受过夏季室外灼人的阳光吧，那就是红外辐射。即使距地球数百万公里之遥，太阳的热量仍然不容小觑。

　　为此，红外太空望远镜的设计师们可以采取几种应对方案。最常见的一种便是采用主动冷却系统，使望远镜的温度下降到适宜观测红外波段的水平。这是种好方法，此前也在其它红外太空望远镜中得到了采用。但这也限制了望远镜的工作寿命，因为一旦冷却剂耗尽，天文观测就无法继续进行。

　　因此，詹姆斯·韦伯望远镜将独辟蹊径，配备一把昂贵的巨型“太空伞”。这把“伞”长22米，宽11米，由五层反射率极高的材料制成，每层厚度还不及人类头发的直径。这把巨大的“遮阳伞”将使望远镜始终处于阴影之下，温度不超过零下223摄氏度，正适合在目标红外波段内开展观测。

　　不过，望远镜上搭载的一台仪器将用主动冷却系统降温至零下258摄氏度，可以接收到波长更长的红外光。

　　科学的力量

　　总而言之，詹姆斯·韦伯望远镜的体积十分庞大，用一枚火箭都装不下。除了那把巨大的遮阳伞外，它的主镜直径达6.5米，远超目前投入使用的任何火箭直径。既然不能把镜面“粘”在火箭一侧，聪明的NASA工程师们决定将镜面分成18片较小的六边形，这样就可以和折叠起来的“遮阳伞”、以及望远镜的其余部分一起塞进火箭里面了。

　　假如一切顺利，詹姆斯·韦伯望远镜发射升空几天后，就会朝观测点飞去，将镜面和遮阳伞展开到位，然后开始执行观测任务。

　　而它的观测结果将极为惊人。该望远镜的主要观测目标之一将是早期宇宙，即宇宙刚刚诞生几亿年的时候。第一批出现的恒星和行星一度在可见光波段上发出耀眼的光芒。但在过去130亿年间，宇宙逐渐扩张，导致这些光线的波长越拉越长，最后离开了可见光、落入了红外光波段，正好属于詹姆斯·韦伯望远镜的理想观测范围。

　　既然第一批形成的恒星和星系不曾留下过任何图片，这将是我们首次观察到宇宙历史上这段重要时期的景象。

　　詹姆斯·韦伯望远镜将对宇宙中一切“冰冷”的物体展开研究，包括围绕初生恒星的原行星盘、分子云、彗星、柯伊伯带等等。

　　该望远镜还将用一种特殊装置阻挡来自部分遥远恒星的光线，从而抓拍到任何从这些恒星前方经过的天体，如系外行星等。这些行星在红外波段内显得十分明亮，通过它们发出的光线，我们可以对行星大气中的化学物质和元素展开分析，说不定能从中发现生命的迹象。

　　总之，从搜寻外星生命、到揭开宇宙黎明时期的真相，詹姆斯·韦伯望远镜一定不会辜负我们多年的等待。