太空望遠鏡的新天地

作為世界上光譜觀測量最大的望遠鏡，拉莫斯特能同時觀測4000顆星星，極大提高了對星星們進行「戶口普查」的效率……作為我國第一台進入國際研究前沿的大型望遠鏡，拉莫斯特將被寫進望遠鏡的歷史。

山頂上的「導彈發射井」

河北省境內燕山山脈深處，群山峻岭之間有一座海拔960米的山頭。每當夜晚降臨，山脈之上的晴夜將會拉開帷幕，上演一場精彩的演出。彷彿上帝之手拉動了一個神秘的開關，萬里無雲的夜空中出現無數眨眼睛的星星。

這是位於承德市興隆縣境內的天文觀測站，山脊上一座座圓形的拱頂就是一台台天文望遠鏡。這群拱頂間有個雪白嶄新的異類，被世界頂級的學術期刊《科學》（Science）喻為「充滿未來派風格的導彈發射井」，它便是新落成的拉莫斯特（LAMOST）望遠鏡。芝加哥大學的天文學家唐納德·約克（Donald York）看到它時說：「說實話我很震驚。」

約克是美國斯隆數字巡天項目的主任，這個項目通過使用設立在阿帕拉契山頂天文台的斯隆數字巡天望遠鏡，對星星們進行「戶口普查」。斯隆望遠鏡直徑2.5米，有640根光纖，能同時觀測640個天體。1999～2005年，此項目的第一期觀測共獲得了67.5萬個星系、9萬個類星體和1.85萬個恆星的光譜，目前所進行的第二期觀測正在對24萬個恆星進行光譜觀測。

然而這些還不夠。面對浩瀚無垠的星空，天文學家們想看得更深、更遠，發現更多更暗的天體，進一步做好星星的「戶口普查」工作，於是拉莫斯特望遠鏡誕生了。此前，斯隆數字巡天望遠鏡是世界上光譜觀測量最大的望遠鏡，但是拉莫斯特能同時觀測4000個天體，是斯隆數字巡天望遠鏡的5倍多，從而一舉將斯隆望遠鏡的霸主地位取而代之。

拉莫斯特的全名在普通人聽來非常拗口，叫做「大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡」（The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope），拉莫斯特只是它英文縮寫LAMOST的中文譯名。

「所謂『大天區面積』就是巡天。望遠鏡有兩大類，一類是哈勃望遠鏡那種盯緊單個天體、觀察細節的望遠鏡，這是現在大望遠鏡發展的一個趨勢；還有一類就是拉莫斯特這種重視廣度的望遠鏡，用普查的方式大規模觀測天體，叫做『巡天』，能為大量天文工作提供基本素材。如果用照相術語來說，前者是長焦鏡頭，後者是廣角鏡頭。」拉莫斯特項目總經理、國家天文台研究員趙永恆告訴本刊記者，「哈勃之類的望遠鏡主要做成像觀測，它能夠發現新的天體，拍照記錄天體的亮度和位置。拉莫斯特的目的既不是拍照也不是發現新的天體，而是要捕獲已知天體的光譜，從中得到更多的信息。」

目前，由望遠鏡所拍攝的巡天照片已經記錄下數以百萬計的天體，但是它們中只有約萬分之一的天體進行過光譜測量。學過中學物理的人都知道，每種原子都有自己的特徵譜線，可以根據光譜來鑒別物質，確定其化學組成。雖然普通人壓根兒看不明白光譜那心電圖般的曲線，但是天文學家能從中讀出很多信息，比如天體的化學組成、溫度、壓強、磁場、密度等。好比說，以前知道了有這個人，還要知道這個人的年齡、性別、種族、受教育程度、婚姻狀況等等，拉莫斯特所做的，就是更進一步去「八卦」星星們的「隱私」。

目前，拉莫斯特正處於最後的驗收階段。驗收完畢後，它將在興隆觀測站萬里無雲的晴夜裡，緩緩打開圓拱和兩片鏡面之間的大門，接收來自遙遠太空的點點星光，窺視宇宙中難得一見的秘密。37塊蜂窩型鏡片拼接而成的鏡面就是它的眼睛，星光照到上面，通過拱形大門反射到斜上方另一塊由24塊蜂窩型鏡片拼接而成的鏡面上，再反射到它的視神經，於是它就可以「看」到了。焦面上安裝的4000根光纖就是4000根視神經，來自每顆星星的光被每一條光纖收納，隨後被導入下面鏈接的16台光譜儀，通過分光得到每顆星星的光譜。

星星們的秘密，就在這裡。

拉莫斯特的使命

星星們有什麼秘密呢？

儘管人類對它們充滿好奇並進行了不懈的觀察，但是星星在很長一段時間內仍屬於神秘學說的範疇。直到1825年，法國哲學家孔德仍在《實證哲學講義》中斷言：「恆星的化學組成是人類絕對無法得到的知識。」他試圖以此來說明人類認識的局限性，但是這個預言在30年後就被天體光譜技術打破了。

光是人類了解宇宙複雜奧秘的指引，只要物體會輻射或者反射光，就能從中得知物體的很多性質。因此，天文學史可以說是人類學習如何解讀光的歷史。在天文學裡，看得越遠代表看得越古老，到達地球被我們看到的星光，實際上是那顆星星若干年前發出的光，你所看到的只是它若干年前的樣子。

一旦知道光是了解宇宙的關鍵所在，人類便發明了各種儀器來捕捉各種不同形式的光並加以分析。拉莫斯特就是其中的一種儀器，而且它非常幸運，用國外天文學家的話來說，「世界上有很多成像巡天望遠鏡，但是缺少光譜分析巡天望遠鏡，拉莫斯特正趕上了好時機」。

拉莫斯特的觀測目標是100萬個星系、100萬個類星體，外加1000萬顆恆星的光譜，將會以更高精度的方式來確定宇宙的組成和結構。天文學家期待拉莫斯特回答天體物理和宇宙學中的重大基本問題，比如宇宙的結構、星系的形成和演化等等。對於這些物理問題的研究，必須依賴於大量樣本的統計性質，才有可能從觀測資料中確定哪些過程決定了宇宙中各種天體的性質，並從中尋找關鍵點。

「就拿銀河系來說，對於它的結構我們並沒有明確的想法。它包含了上千億顆恆星，知道得越多就越可能推斷出它是如何形成、演化的。通過拉莫斯特的觀測結果，我們可以一顆星一顆星分析，從而形成海量數據後分類，比如銀河系剛形成時有哪些元素，超新星爆炸後又有哪些元素，重元素如何越來越多，銀河系是否一直在吞併周圍的小星系……」趙永恆告訴本刊記者，「再比如，拉莫斯特得到的數據能夠推算出星系的三維分布，用於分析關於宇宙的不同物理模型，包括宇宙大爆炸、暗物質、暗能量等等，對宇宙起源問題進行進一步認識。」

國家天文台研究員陳學雷則向本刊記者表示：「對於我所從事的宇宙學研究而言，希望通過觀測大量星系的紅移，確定在大尺度上物質的分布特徵，再把這些特徵與理論相比較，來確定暗能量的性質。」

按照國際慣例，望遠鏡獲得的數據在頭兩年的保護期內會無償提供給本國的天文學界使用，兩年後對國際公開。陳學雷說：「過去做研究，我們主要是使用國外已發表的數據，這樣很難有新的發現，只能是提出新的理論解釋，或者比別人算得更准更細。如果我們有自己的數據，就可能會在研究上取得主動權，得到更好的成績。拉莫斯特是我國第一台進入國際研究前沿的大型望遠鏡，希望它能幫我們做出重要的新發現。」「拉莫斯特是光譜工廠，批量生產數據，天文學家可以根據課題下『訂單』，然後由我們提供『產品』。」對於拉莫斯特日後的使用，趙永恆非常期待。

最富挑戰性的設計

拉莫斯特在世界望遠鏡的隊列中，除了是世界上光譜觀測量最大的望遠鏡之外，頭上還有兩個光環。「一是它解決了大視場和大口徑的矛盾，二是它完美地採用了主動光學技術，這是最富挑戰性的設計。」拉莫斯特項目總工藝師李國平向本刊記者介紹。

目前，世界上進行巡天工作的望遠鏡基本都是施密特望遠鏡。這是上世紀30年代德國光學家施密特發明的折反射望遠鏡，用球面反射鏡作為主鏡，在球心處安放一塊「改正透鏡」，大大增加瞭望遠鏡的有效視場，在「巡天」工作中起到了無可替代的巨大作用。

「施密特望遠鏡的聚光能力隨著口徑的增大而增強，望遠鏡的聚光能力越強，就能夠看到更暗更遠的天體。但是，在製造望遠鏡時，追求口徑就要犧牲視場，反之亦然。」視場小的壞處就是視限太窄，要對天體一個或幾個的進行掃描。試想一下，如果用這種速度巡天的話，要巡到何年何月？

以前，只有反射型望遠鏡可以做到8～10米的大口徑，並且計劃發展到30～50米，但是斯密特望遠鏡只能做到直徑1米多。「這是因為透鏡鏡片使用的是微晶玻璃，雖然熱脹冷縮的情況下變形很小，但是越大加工越困難，以目前的加工技術只能做到1米多，並且非常昂貴。」李國平說。

後來，國家天文台蘇定強院士想出個好辦法，把施密特望遠鏡的透鏡換成反射鏡，變成反射型施密特望遠鏡。這樣一來就解決了口徑和視場的矛盾，將拉莫斯特建造成既能看得遠又能看得廣的超強望遠鏡。

這個改動聽起來簡單，但是過去為什麼一直沒有人提議？「這是因為當時主動光學的技術沒有解決。」趙永恆說。望遠鏡在觀測天體時，需要根據不同的任務調整觀測角度，這樣它的不同部位就會因為重力發生微小的變化。一旦鏡面變形，就會使星像變得模糊，從而威力大減。「比如這張紙，手掌平托和斜托著它，它的彎曲程度會有微小的變化，要調節後面所施加的力來保持它在變化姿勢時不發生形變。」趙永恆向本刊記者一邊比畫一邊說，「即使是變化，也是微米級的變化，靠每塊鏡片後的3個支撐點進行調整。沒有主動光學技術時，望遠鏡最大直徑是5～6米，有了主動光學以後就發展到8～10米。」

除了這兩大特點，還有讓設計者們非常得意的地方。拉莫斯特焦面上的4000根光纖，可以看作是來自不同源頭的「水渠」，光譜吸收系統就是「水庫」，通過各個渠道引來光譜信息。這4000道水渠是並行的，通過計算機控制做出任何調整。和拉莫斯特相比，斯隆望遠鏡顯得有點「笨」。斯隆望遠鏡的光纖要逐一手工插接在預先鑽好孔的鋁板上，再安裝到望遠鏡上，既繁瑣又浪費了大量金屬材料，而且一旦出錯難以彌補。比如斯隆第一期巡天任務就消耗了3000塊光纖板，可謂一項浩大的工程。而拉莫斯特光纖定位系統則以相當大膽的設計，節約了材料、資金和時間，受到了一致好評。

當然，3億元人民幣打造的拉莫斯特也並非無所不能。作為一種光學天文設備，它既不能與20億美元級的哈勃太空望遠鏡的「高空間解析度」性能相比，也不能與每台1億美元的「8米級」望遠鏡的精測能力相比。「但是拉莫斯特的大範本數據提供，也不是哈勃空間望遠鏡和『8米級』望遠鏡所能做到的。」趙永恆告訴本刊記者。

實際上，並非天文學界人人都是拉莫斯特的「粉絲」。除了艱難的技術挑戰之外，興隆的觀測條件也並非理想，比如大氣擾動比較強烈、光污染越來越嚴重、刮來的塵沙會對光潔無暇的鏡面造成損害等等。「但是興隆已經是在可選範圍內最好的選擇，每年的平均可觀測夜數不少於240天。如果將來能在青藏高原找到好的天文台台址，我們會考慮建造更大的拉莫斯特。」

而且，建造了一台先進的儀器也並不代表就會得出先進的成果。對此陳學雷表示，雖然拉莫斯特有自己的獨到之處和先進性，但也面臨著國外類似項目的競爭，人才、經驗方面都有很大差距，也可能投入了大量的時間精力之後卻發現，研究成果依然是外國人做出來的。「所以，我對拉莫斯特的認識比較客觀，既有期待，但也不會太高。」他說。

不過，這畢竟是我國天文學追趕世界先進水平所邁出的第一步。唐納德·約克先生就大讚拉莫斯特「非常美麗，也完成了技術上的突破」。在接下來的時間裡它將開始運行，指引天文學家發現宇宙深處的美麗新世界。

永遠的「哈勃」

老兵不死，只是凋零。對於「哈勃」這個老兵，是否也會如此？

記者◎曹玲

一推再推的第五次大修

回憶起當年對哈勃太空望遠鏡進行的第一次維修，美國前宇航員傑弗里·霍夫曼（Jeffrey Hoffman）在電話那頭接受本刊記者採訪時依然十分興奮：「那是我在太空最難忘的舉動。1993年12月4日，太空梭伸出遙控機械臂抓住了哈勃，把它固定在專用的支架上。第二天，我和另外一名宇航員斯托里·馬斯格雷夫出艙進入太空。那感覺真的非常神奇，背對哈勃，面對茫茫宇宙，感覺像漂浮在無限的自由里。不過修復哈勃的任務也非常艱巨，操作要像外科醫生一樣精細。我把腳固定在平台上，和同事一起更換了3台陀螺儀，這可以讓它在跟蹤天體時保持固定的姿態。」

「事隔一天，我和馬斯格雷夫又進行了第二次出艙修理，用新相機更換了舊相機，那是專為糾正哈勃的主鏡誤差而設計的。又隔了一天，我們進行了第三次艙外活動，更換了一個太陽能電池帆板的驅動裝置，原來的裝置會因為太空溫度劇烈變化導致望遠鏡不停地顫抖。3次任務加起來，我一共出艙活動了24個小時，是整整一天。當時，我的兩名同事還為哈勃戴上了『眼鏡』，那是一組由透鏡組成的修正裝置。如此，哈勃的視力就得到了矯正，從此改變了命運。」

那是1993年12月，哈勃升空3年半之後的第一次維修。當時美國航空航天局派遣7名宇航員乘坐「奮進號」太空梭進入軌道修復哈勃，霍夫曼就是其中的一位。

如今，哈勃又面臨第五次、也是它有生之年的最後一次大修。自1990年進入太空起，它已在天上飛行了18年，就像一輛開了18年的汽車，即便當年是如此之風馳電掣，現今也難掩力不從心的倦容。

修復時間因各種原因被一再推遲。美國航空航天局年初打算於年中進行修復，後又將時間推遲至10月中旬。然而10月底他們又宣布，因哈勃上的數據處理系統出現嚴重故障，無法正常存儲觀測數據並傳回地球，將維修計劃推遲到明年年初。

即將到來的第五次大修是哈勃延續生命的最後機會，宇航員將乘坐「亞特蘭蒂斯號」太空梭，從肯尼迪飛行中心出發，進入哈勃太空望遠鏡的軌道，捕捉並修理它。宇航員會更換被燒壞的巡天相機的電路板，這是哈勃的主相機，那些壯觀、令人難忘的天文照片就是由它拍攝的。

正是這些圖片勾起了公眾對哈勃的熱情。哈勃就像人類的眼睛，好奇地凝視著宇宙。它是第一個、也是唯一一個主要通過觀測可見光來認識宇宙的望遠鏡，傳回了無數完美清晰、絢爛多姿、細節豐滿的宇宙圖像。如果人眼能看得如此深遠、真切，宇宙差不多就是如此。那些美妙的圖片似乎富有智慧，不需任何注釋便能給人帶來震撼，讓人在面對時不由自主地感慨：「這就是我們的宇宙！」不論圖片展現的是什麼，行星、稠密恆星區、華美的星雲、壯觀的星系碰撞，以及宇宙大尺度結構，每一幅圖片都會引起你對宇宙空間的私人想像。

哈勃走進公眾視線的過程和互聯網的發展密不可分，當它拍攝的數字圖像首次進入公眾視界時，正值互聯網的發展呈指數級增長。和其他有趣、免費的東西會在網上迅速流傳一樣，哈勃所拍攝的圖片以無比絢爛的視覺效果，成為廣大網民的屏保和桌面，悄悄走進普通人的生活。

事實上，我們頭頂上還有20多個形態各異的太空望遠鏡圍繞地球飛來飛去，提供各種宇宙視角，但是人們似乎視而不見，最寵愛的依然是哈勃。或許是因為其他太空望遠鏡局限在科研範圍，只能觀測那些人眼看不見的光波，其中有很多還因為大氣層的緣故從未到達過地球。它們和哈勃不同，大多無法修復，零件磨損、陀螺儀失靈、電池耗乾等硬體條件制約了它們的壽命，一般只有3～7年。而哈勃在設計之初，就已經被考慮到維護問題，身上的很多組件都可以比較容易地拆卸下來，到目前服役期限已經超過太空望遠鏡為期15年的平均壽命。

總之，哈勃就是比其他太空望遠鏡長壽，它的使用期限被一再延長，任何放棄它的計劃都會遭到公眾反對。2004年，也就是「哥倫比亞號」太空梭失事後一年，美國航空航天局決定不再對哈勃進行維修。消息一出，憤怒的評論和信件像雪片一樣湧進報紙和雜誌的編輯部，電台和電視台的脫口秀節目也紛紛譴責美國航空航天局置哈勃於死地的行為，呼籲恢復修復哈勃的基金，讓它多活幾年。國會最終順應民意，扭轉了美國航空航天局的決定，為哈勃爭取到第五次修復機會。

哈勃的財富

如果哈勃是個明星，也是那種一出道就醜聞纏身、後來通過自己的神奇天賦和刻苦努力而贏得萬人寵愛和尊敬的明星。

哈勃進入太空後立刻成為萬人矚目的「首席天文台」，但是歡呼聲剛過，它就進入了一段長達3年半的低谷期。天文愛好者都知道，那幾年哈勃被譏諷為「科技小丑」、「一顆蒙羞的人造衛星廢物」、「哈跛太空望遠鏡」（The Hobbled Space Telescope）。這是因為，它的主鏡竟然出現球面相差，基本原因是主鏡磨製錯誤，原本想要把70%～80%的光反射到聚焦良好的「光核」中，結果卻只有小部分對準光核，其餘均散布到光核周圍的擴散光暈中。這樣一來，到達哈勃的光線嚴重變形，導致最終拍攝的圖片模模糊糊，算是一個非常小兒科的錯誤。美國航空航天局花了16億美元，結果送了一個「近視眼」上天，幫他們「窺視」宇宙的秘密，真是貽笑大方。為此，和哈勃有關的很多工作人員始終感到抬不起頭，被人在背後指指點點戳脊梁骨。

直到2003年底，霍夫曼和同事們對其進行修理後，哈勃才開始實至名歸，成為最多產、最富有創造力的科學儀器。它每天都可以開工，不像地面上的望遠鏡會受大氣影響，觀測範圍幾乎涵蓋太陽系內所有天體，原則上可以達到宇宙觀測的極限。

1995年12月，哈勃用了10天時間感光，拍攝到一幅名為「哈勃深空」的圖像。圖像中的星系遠在宇宙邊緣，是大爆炸後不久宇宙形象的凍結。美國航空航天局將這幅被譽為「上帝之手」的照片遞交給國會，是顯示成績最好的成績單。

18年間，無數的研究論文使用了哈勃所得到的數據，高等教科書的內容一次次被哈勃改寫，大學生們通過哈勃認識了新的世界和宇宙。這其中，它所做出的最重要的貢獻是解決了持續數十年的宇宙年齡之爭。之前，關於宇宙年齡的觀測數據非常糟糕，無法得到天體物理學家的信任，有人認為宇宙是100億歲，也有人認為是200億歲。因為整個宇宙都在以已知的速率擴張，我們可以將時鐘倒轉，測定多久以前所有東西都在一個點上。哈勃通過精確測量遙遠星團中某類恆星的亮度變化，代入一個簡單的計算公式，告訴了答案：宇宙誕生於140億年前。

此外，哈勃還證明了黑洞的存在。長久以來，研究人員一直懷疑一些大星系，比如我們銀河系的中心有一個特大質量的黑洞正在吞噬恆星、星雲和周邊路過的物質。該中心存在如此密集的恆星，基於地球的望遠鏡只能看見由成百上千顆恆星擠成一堆的斑駁的星光。從太空中，哈勃望遠鏡高分辨度的圖像讓我們看到每一顆獨立的恆星，以及它們圍繞銀河系中心的運動。那些恆星的移動速度遠遠超過正常值，似乎有一個小型的、看不見的強大引力牽引著它們。為了使方程平衡，研究人員得出結論：一個黑洞潛伏在銀河系的中心。

在這18年，哈勃收穫了無數鄙視的口水，也收穫了滿園芬芳的讚美。它被稱為是各種眼花繚亂記憶的代言人，比如一個錯綜複雜的大工程、一次失敗、一個製造奇蹟的機器、一份工作、一件讓人著魔的東西、美國航空航天局的未來、美國航空航天局的毀滅……不管它是什麼，它的真實身份仍是一架口徑2.4米、公共汽車般大小的太空望遠鏡。隨著天文學家對觀測的要求越來越高，它也開始力不從心。美國航空航天局計劃於2013年發射小型火箭，推動哈勃落向太平洋，隨後打撈出來送進博物館。

正式退休之前，美國航空航天局已經替它選好了接班人，正在建造中的詹姆斯·韋伯望遠鏡將於2013年閃亮登場。它不像哈勃那樣圍繞地球旋轉，而是飄蕩在從地球到太陽背面150萬公里的空間，因為離地面過遠，即使出了故障也不可能頻繁派人修理。韋伯望遠鏡的口徑達到6.5米，面積為哈勃的5倍以上，觀測性能將遠超哈勃。但是它主要用於觀測紅外光，除了天文學家之外，它眼中的宇宙並不為人所知。所以，我們可能會依然懷念哈勃。

穿越星空之眼

雖然歷代天文學家已經取得了相當輝煌的成就，從月球與地球之間的大體距離，到行星軌道，但大部分公眾仍然認為恆星和行星不過是天幕中發光的亮點，而大地則是一片平坦。毫無疑問，沒有令人信服的視覺證據，天文學家僅依靠數學計算與推測無法讓人類對於宇宙的認識更進一步。於是，在1609年，一種儀器誕生了，從而徹底改變了我們認識整個外部空間的進程。

記者◎朱步沖

終結地心說的小發明

故事的開始總是沉悶的。1576年，丹麥天文學家第谷·布拉赫在丹麥和瑞典之間的海島上建立了第一個現代意義上的天文台，做一系列仔細的火星觀測記錄。23年後，與丹麥國王鬧翻的第谷來到布拉格，年輕的德國天文學家約翰·開普勒充當了他的助手。藉助導師豐富的觀察手記，開普勒發現，假如火星是沿著某個橢圓軌道圍繞太陽運動，而太陽正好處於橢圓某個焦點位置，那麼就與第谷的觀測結果非常吻合。1609年，他出版了《新天文學》，詳細闡述了自己的想法。幾乎與此同時，荷蘭澤蘭省米德爾堡市一位眼鏡製造商漢斯·里帕席的店鋪里發生了一件有趣的小事：一個淘氣的學徒在無聊時，將陳列的各種透鏡輪流從櫥窗里拿出來把玩，結果無意中發現，如果將兩塊透鏡以一遠一近的順序放在眼前，那麼遠處的教堂塔樓、風車等景物會變得又大又近。當里帕席發現學徒的把玩後，他立刻明白，這個東西可能具有不可思議的廣泛用途。他將兩塊透鏡安放在一根金屬管內，把這個新奇玩意命名為「窺器」，而希臘籍數學家、羅馬紅衣主教的書記愛奧亞尼斯·狄米亞西尼，則建議應當稱呼它為「望遠鏡」（Telescope），這個詞在希臘文中的原意為「在遠處看」。

此前，光學透鏡在人類文明發展的潮流中只是時隱時現，考古學家們曾在克里特島和小亞細亞出土過製造於公元前2000年左右的粗糙透鏡。公元10至11世紀時，著名的阿拉伯物理學家、居住在巴士拉的阿爾哈曾就在自己的著述中提到過光的折射原理，並初步對透鏡的放大功能做出了闡述。13世紀初，牛津大學聖方濟各會修士約翰·皮克漢姆根據阿爾哈曾的研究，寫過一部簡略的《透視法》。最初在荷蘭、比利時與義大利城市中製造的透鏡被用來製作最初的眼鏡，羅傑·培根就曾是最早一批眼鏡的受益者。

里帕席的發明問世後，除了在軍事上被熱衷於擺脫西班牙控制的荷蘭聯省軍隊用於偵察外，也引起了學者們的好奇，其中就包括在義大利帕多瓦擔任數學教授的伽利略·伽利雷。就在里帕席發明望遠鏡的同一年，他在遊歷威尼斯的時候也觀察到了這個新鮮玩意，於是用一塊平凸透鏡和一塊平凹透鏡製造了自己的望遠鏡。凹透鏡在靠近眼睛的一側，稱為目鏡，而凸透鏡則被稱為物鏡。當他最終將自己長1.2米、直徑4.4厘米的望遠鏡指向月球時，他看見了一個粗糙的表面，有山脈，表明希臘天文學中關於天體超凡完美的假設與事實大相徑庭。不僅如此，伽利略進一步推論說，既然月亮和地球如此相像，而月亮會沿著某個軌道運動，那麼地球也不排除這樣的可能性。

1610年，聲名日隆的伽利略前往佛羅倫薩，擔任托斯坎尼公國的宮廷數學家和哲學家，據說原因在於伽利略聰明地把觀測到的四顆木星衛星命名為美第奇星，以討好這個統治托斯坎尼的義大利豪門世家。在那裡，伽利略藉助望遠鏡的觀察，使得托勒密天文學的論斷不斷崩潰：比如托勒密理論的擁護者指出，如果哥白尼的理論成立，那麼隨著地球在空間中的移動，恆星在天球中的位置也應變化。這種情況在天文學依賴肉眼觀測的時代並沒有發生，然而望遠鏡觀測的結果表明，恆星太遙遠了，以至於位移根本無法察覺——在透鏡中，恆星仍然沒有顯示成為球體，而仍然是一些光點，這個結果對於哥白尼的理論是極端有利的。1610年8月，伽利略宣布，金星也擁有類似月亮月相一樣的位相，證明金星和這顆地球的衛星一樣，是個黑暗的天體，它的光亮來自太陽，並且按照橢圓軌道圍繞太陽轉動。次年他又宣稱太陽也並非永放光芒、完美無瑕的天體，因為它擁有難看的瑕疵——太陽黑子。儘管這些離經叛道的妄言最終導致他於1633年，被迫在羅馬聖瑪利亞修道院的大廳里向10位樞機主教懺悔，接受了被終身監禁的判決，但真正被宣判敗訴的，卻是人類陳舊的地心宇宙觀——200年來的權威，被一名孤立的觀測者藉助一架簡陋的儀器在3年內打敗。1642年，雙目失明的天文學家在佛羅倫薩附近的阿切特里去世，而正是在這一年，另一位在揭示宇宙運行真相方面同樣重要的人物艾薩克·牛頓誕生了。

伽利略精神的繼承者

1638年，英國天文學家威廉·蓋斯科因發明了測微器，精確測量出恆星的角寬度。1670年，英國鐘錶匠威廉·克萊門特製造出了第一台長擺鐘，可以在探測距離方面得出前所未有的精確結果。出生在義大利的法國天文學家喬凡尼·多美尼科·卡西尼與助手讓里歇分別在巴黎天文台與位於南美洲的法屬蓋亞那的卡宴兩地進行觀測，計算出太陽與地球的距離達到了驚人的1.4億公里，而非自希臘時代以來就一直被天文界奉為圭臬的800萬公里。並且藉助時鐘和測微器，天文學家們第一次可以通過角寬度換算來了解天體的體積：金星約與地球一般大，而木星的直徑卻比地球寬了大約11倍，至於太陽，它的直徑居然是130萬公里，超過地球100倍。

如同歐洲政治霸權的爭鬥那樣，巴黎天文學家最強勁的對手來自英國。1663年，愛丁堡的詹姆斯·格里高利設計出了第一台反射望遠鏡，這件發明的誕生確是有現實的需要：傳統的伽利略或開普勒式折射望遠鏡已經長達40米以上，越來越難駕馭，並且無法解決諸如天體色差等問題。而格里高利則發現，兩個橢圓面反射鏡對光線進行反射並重新聚焦後，產生的天體形象較之以往有了相當的提高。1668年，年僅27歲的劍橋大學聖三一學院學生、賦閑在林肯郡家中的艾薩克·牛頓，依照格里高利的思路改良了自己的反射望遠鏡。該望遠鏡由一面銅錫砷合金主鏡、一面平面反射鏡和一面目鏡組成，雖然僅長6英寸，但能夠產生放大40倍的物象。1675年，一群皇家學會的學者，由天文學家約翰·弗拉慕斯蒂德領銜，向國王查理二世要求建立一座專用的固定天文台，以便更好地計算經緯度，來指導在大洋上航行，幫助為英帝國帶來財富的商船隊與海軍艦隊的航行。吝嗇的國王任命弗拉慕斯蒂德為第一任御前天文學家，支給他一小筆薪水，責令其在倫敦東南郊區的格林威治建立一座天文台。弗拉慕斯蒂德為了這所日後世界天文觀測的權威中心耗盡了心血和積蓄，以至於1719年去世時，冷酷的債主甚至闖進格林威治，拿走了部分儀器用以抵償他生前未能還清的債務。

在與弗拉慕斯蒂德一同進入格林威治的第一批英國天文學家中，還包括年輕的埃德蒙·哈雷。1676年，年僅20歲的哈雷就帶著一架24英尺的望遠鏡和計時器，跑到了南大西洋上的聖赫勒拿島，在壞天氣和熱病的折磨下整整度過了兩年，詳細記錄下了南部天球上341顆恆星的精確位置。今天，他被全球天文愛好者所熟悉，是因為他成功地預測了人類有史以來首顆有記錄的周期彗星哈雷彗星（1p/Halley）的回歸周期。在此前，彗星還被認為是由上帝直接控制的天象，其出現則預示著災難與巨變。哈雷更大的貢獻在於通過長期觀測，於1718年提出，至少有3顆亮度極大的恆星——天狼星、大角星與畢宿五的位置，都與托勒密或同時代希臘天文學家記載的位置相差甚多，由此證明了哥白尼的假設——以往被假定為位置恆定的恆星，也是擁有自身運動軌跡的。

反射望遠鏡的勝利

在牛頓之後的200年中，天文學家們取得了相當大的成就：從獲悉彗星的光譜、精確地觀測到火星表面到日珥的發現。然而無論是反射還是折射式望遠鏡，技術仍然處於相對的停滯狀態。直到1879年，英國天文學家安德魯·安斯利·康芒將一片直徑36英寸的鍍銀反射鏡裝入了自己的天文望遠鏡。

在康芒之後，改良的反射望遠鏡迅速使天文學家的視野拓展到了前所未有的程度，美國以其雄厚的工業力量和財富成為探索宇宙的新興中堅力量。從1919年開始，埃德溫·鮑威爾·哈勃藉助加州威爾遜山鏡面直徑達100英寸的胡克天文望遠鏡，利用星系光譜計算，得出了一個創造性的結論：眾多星系在以驚人的速度遠離我們。最簡單可信的解釋就是整個宇宙正在膨脹，每個星系與近鄰之間的距離都在加大。到今天，「哈勃定律」已經被視為整個天文學觀測的基本定律，也是人類有史以來得出的第一個關於宇宙整體的基本變化趨勢。在這一成就的刺激下，更多大型反射望遠鏡競相出現，最終，於1948年6月落成、被安裝在威爾遜山附近帕洛伊瑪山、鏡面直徑200英寸、以美國天文學家喬治·艾利·海爾命名的「海爾望遠鏡」，成為反射型望遠鏡歷史上的巔峰之作。它能拍攝到暗至23等的天體（亮度只有肉眼可見最暗天體的六百萬分之一），最遠能探測到距離地球遠達幾億光年的暗弱星系——這樣的成就在令人讚歎的同時，也明白無誤地表示，利用可見天體發出的光芒作為窺視宇宙的手段，已經走到了盡頭。倘若人類還要更進一步，就勢必要出現一場全新的天體觀測技術革命。

從光到微波

具諷刺意味的是，這種全新手段早在19世紀初就具備了雛形。1800年，曾發現了天王星的英國天文學家威廉·赫歇爾在測量太陽光譜不同部分的熱效應時，曾發現，如果把溫度計放到光譜紅端的外側時，熱效應仍然持續上升，於是這些不能被肉眼所觀察到的光線就被命名為「紅外輻射」。70年後，蘇格蘭數學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋建立了完整的電磁理論，並證明，作為一種電磁輻射的光，只佔據了「電磁波譜」中很小的一個部分，彷彿一整副撲克中為數不多的幾張。由此，天文學家們很快就相信，除了可見光，太陽和其他行星發射的其他輻射肯定承載了更多的有用信息。1932年，就職于貝爾實驗室的無線電工程師卡爾·古特·央斯基在新澤西州的荷爾姆德爾建造了一批巨大的、能夠旋轉方向的矩形金屬天線陣，試圖發現哪些因素會干擾無線電波。1932年1月，央斯基被一種每隔23小時56分4秒出現最大值、且始終穩定的無線電干擾迷住了。最終，他發現這股神秘的電波來自宇宙，大約是銀河系的中心位置，於是，這套粗陋的金屬天線就成為世界上第一台射電天文望遠鏡。儘管「二次大戰」的爆發嚴重阻礙了射電天文探測的發展，但在戰爭中迅猛發展的雷達技術，卻在戰後「補償」了這段長達6年的停滯。

用微波回波探測技術，天文學家可以窺探那些以往面貌不清的行星的真容，比如一向被濃雲遮蔽的金星。1965年，第一張粗略的雷達金星圖被繪製出來，它顯示這個星球上擁有山脈和類似峽谷一樣的地貌。同樣，不同回波波長的變化，可以計算出天體接收微波的地點是在接近還是在遠離我們，從而可以藉助計時器測算出行星自轉的速度，比如金星自傳周期為243.1天，水星則是59天。

藉助這些形態各異的天線組合，我們首次能夠了解到在宇宙中最遙遠的地方，和最久遠的過去所發生的一些令人驚奇的事情。1971年發現的類星體OH471，與地球的距離竟然達到120億光年，並正在以約等於光速90%的速度遠離我們——也許人類已經探測到了發生在上百億年前宇宙大爆炸時代的情景。同樣，生命的起源，似乎也能從這些微波中窺見端倪。在瀰漫的塵埃雲和氣體雲中，95%的成分無法藉助光學望遠鏡和光譜儀「看」到，然而藉助特定原子或原子組合發射的微波波長，卻能像追蹤罪犯指紋那樣，利用射電望遠鏡分析它們的成分。1968年，加州大學的觀測者們測到了來自星際空間水分子和氨分子所特有的波長，證明即便在條件最苛刻的外層空間中，仍然具有一些處於向最簡單生命形態進化的東西。

自此，光和微波，這兩種遙遠星系向我們傳遞信息的載體，已經基本為人類所掌握，而橫亘在觀測者面前的新障礙，就是我們居住的這顆星球本身所造就的局限性。光學望遠鏡已經無法突破大氣層的阻擋，射電天文望遠鏡所依靠的基線已經是整個地球的直徑，解析度已經達到極限。正如著名美國科幻作家阿西莫夫於1982年所論斷的那樣，只有將觀測儀器送到遠離太陽風、重力、大氣干擾的太空中去，人類才能將自己的智慧真正延伸至時空的開始與盡頭。