FAST建成！人类有哪些探测太空的巨眼？

    【中关村在线原创】宇宙浩瀚，根据大爆炸论的模型，到今天已经140亿年左右，因此如果我们能看到140亿光年以外的地方，那么正好是宇宙诞生初期的状态。最近刚刚建成的FAST射电望远镜正是全人类目前最大直径的射电望远镜。包括FAST在内，我们观察宇宙，都有哪些巨眼？

FAST让中国占上世界之巅

    FAST，其实是五百米直径球面射电望远镜的缩写（Five hundred meters Aperture Spherical Radio Telescope），没错，科学家就这么直接……后面我们会提到ELT，其实也是这种缩写。FAST的选址非常有意思，位于贵州的喀斯特地貌的洼地里面，这种洼地有点类似陨石坑，天然就像一个碗，非常适合做射电望远镜使用。

直径500米的FAST建成，世界最大

依据天然地貌建设，可以节约大量的资金

    早在1994年，中国的科学界就提出了利用贵州喀斯特天然的地貌环节，可以节约成本建设超大直径的射电天文望远镜。然而到真正的项目立项，已然是2007年，FAST被列为十一五重大科学工程。FAST的直径达到了500米，观测的并非可见光，而是电磁波谱中的高频区域，尤其是中性氢HI的波段。FAST有多个不同频段的的接收器，用来接收反射回来的电波。在未来几十年的时间里，恐怕也不会出现比FAST更大的射电天文望远镜，而FAST虽然是中国投资建设的，但观测申请则是向全世界开放的，这也是科学界的一种精神。

FAST的局部，可以看到每个反射板反射到画面右下的接收器里面

    FAST的球面直径达到了500米，有效的区域直径则为300米，因为FAST的“大碗”是固定的，不能转动，因此要观测某个偏向的区域，就需要底部4450个反射板合作，让FAST指向某个区域，这让FAST具有很高的灵活性。虽然底部庞大，但是接收器的面积只有药片大小，因此对精度的要求极高，这也是这类大型科学仪器的难点所在。虽然FAST归属中科院国家天文台，但设计建设过程凝聚的是全国多个高校、科研机构的心血。而高精度的设备造假昂贵，所以FAST最终上升到了十一五、发改委的层面进行投资建造。

    或许有人会问，除了FAST还有那些大型的望远镜让我们探索宇宙？

地面最大光线望远镜：凯克

    地面最大的光学望远镜在哪里？在夏威夷。并且不是一个，是规模一样的两个，由于是美国凯克基金会捐资建造的（美国捐赠科研可以抵税），所以名字也叫做凯克天文望远镜。

十米直径的凯克望远镜

    凯克建造的时间不短，但是直到今天，依旧是世界最大的天文望远镜，直径达10米。在光学原理上，凯克是反射式望远镜，十米是反射镜的直径。如果十米是一整块玻璃，自重会非常恐怖，并且随着移动自重的作用下难以保持完美的反射曲面，因此凯克的主镜是几十个小镜片组成的，在观测的时候，镜片后面的传感器能够进行每秒两次的调整，让整个镜片阵列尽可能的接近理想的曲线。

两个凯克望远镜相距85米

主动光学技术的两个望远镜观测同一目标，要射出两道激光对准同一区域

    凯克是两个10米级别的望远镜，两个都位于夏威夷海拔4200米的莫纳克亚山上，凯克1建成于1991年，凯克2建成于1996年，两个望远镜距离85米，因此在2001年配置了干涉仪之后，有了等效85米的直径。

太空最大光学望远镜：哈勃

    在地球上观测天体，要透过一层厚厚的大气层，有点类似于隔着毛玻璃看太空，因此对观测环境要求很高，在凯克望远镜的旁边，还有几架大型光学望远镜，就是因为夏威夷低纬度、高海拔空气稀薄，又在云层之上，有利于观测。如果把望远镜架设在太空，是不是就更好？是的，这个构想及实现就是哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope，HST）。

哈勃太空望远镜

    受到太空发射条件的制约，哈勃不可能很大。而根据理论计算，在太空中，只要2.5米的直径就能达到衍射极限1角秒，实际上HST的口径是2.4米。关于HST的故事可以写厚厚一本书，比如发射推迟、项目严重超预算、比如发射之后发现主镜精度有问题，进行过更换等等。

90年代HST第一次传回高清晰图像的时候震惊的是全世界而不是科学界

    最重要的还是HST在修复之后的贡献。HST是一个超期服役的太空望远镜，在过去20多年的时间内，HST为人类贡献了有史以来最清晰的可见光天文图像，这些图像不仅仅是科学界，对于普通大众来说这些图像带来的震撼让人们对宇宙的浩瀚有了更多的感悟，让更多的人走向了科学研究的道路。

2009年哈勃进行了最后的修理和替换零件，剩下的就靠科学家们的运气了，希望能服役更久

开普勒太空望远镜更多的是寻找宜居星球

    遗憾的是，哈勃已然超期服役了，但是在未来很长世间都没有这种可见光波段大型空间望远镜的计划。目前在天上的开普勒太空望远镜更多的作用是寻找地外行星，目前很多公众号的“XX星座发现新的宜居行星”，都是开普勒太空望远镜的功劳。

詹姆斯韦伯太空望远镜

    如果计划顺利，那么詹姆斯韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）应该已经在天上工作5年了。事实上是它最快也要2018年才能发射升空了。JWST将是人类有史以来最大的太空望远镜，展开之后直接由6.5米，由18个镜片拼合而成，每个镜片表明的精度在10纳米左右。

太空中展开的JWST

成年人、HST主镜与JWST的大小对比，更形象一些

    与HST观测目标主要是可见光波段不同，JWST观测的波段主要是红外波段，希望在这里能找到宇宙大爆炸早期的证据。HST被修理过，是因为它的轨道很低，只有600公里，而JWST则不一样，被放在了第二拉格朗日点上，距离地球有150万公里之远，也正因为如此，它不需要像哈勃那样由于轨道低需要频繁的挑战，进而能够进行长期稳定的工作。

JWST比HST看的更远，有望给我们带来宇宙早期的图像

    上图是JWST能力的展示，它的高精度有希望观测到宇宙极早期，也就是大爆炸发生200万年之后的宇宙状态，这样能更加丰富宇宙的模型，用实践来指导人们对于宇宙的认知，毕竟我们现在还太过渺小、太过无知。

未来大型望远镜计划

    JWST已经是板上钉钉的事情，只待发射。但是科学界并不满足，尤其是地面的大型光学望远镜，因为哈勃即将退役，可见光波段的太空望远镜只能靠新的望远镜的出现才能接替哈勃，甚至具有超越哈勃的精度，但是这也要求未来的望远镜的体积更大、更夸张。

现役及计划中的大型望远镜

    上面的图就是既有的望远镜与计划中的极大望远镜（Extreme Large Telescope，ELT）的对比，直径40米的欧洲极大望远镜E-ELT是最大的，40米的直径相当于一个篮球场更大的主镜要保持高精度的对准太空。当然还有美国的30米望远镜TMT、25米的巨型麦哲伦望远镜等等。

左边是计划中的E-ELT，右边是罗马斗兽场，可见E-ELT有多大

    按照原先的计划，这些望远镜到2018年应该已经使用了，但现在还在争论，背后的原因都是两个字：没钱。建造这些设备的成本实在是太昂贵了，比如欧洲的那个，预算就10亿欧元以上，一旦建造开始，就不可能不超支，最终建完20亿欧元都是很谨慎的估计。很多选址确定以后就是无休止的口水仗：要不要把钱花在这些昂贵的科学设备上，这种口水仗一直可以打到国会这种国家最高权力机构。

伽利略的第一个望远镜，发现了木星卫星、土星光环

    中国FAST的建成让我们的大型科学仪器走在了世界之巅。而在未来，中国应该也会发射自己的太空望远镜，并且凭借后发的优势超越前面的哈勃，成为人类探索宇宙的心的力。遥想当年伽利略第一次观测木星的时候，望远镜口镜只有4.2厘米，几百年后我们的科技已经能够将直径几米的望远镜送上太空，我们的前途是星辰大海……