来源：格致论道讲坛
"在空间站轨道上放一台望远镜，这个望远镜成像的能力和哈勃望远镜类似，但它能够同时观察成千上万的星系。"
李然
中国科学院国家天文台星云计划研究员
很高兴能和大家分享"巡天空间望远镜"。这台望远镜将是有史以来中国天文学界获得的最昂贵、也是最先进的观测仪器。在未来几年，它将会发射到太空轨道上去。
接下来我会和大家分享，我国为什么要做这样一台望远镜？它将会开展哪些科学工作？
Part.1
为什么要建造望远镜？
从下图中，我们可以看到：一个人站在荒漠上看向远方的时候，他看到的是非常美丽的银河横亘在天际之中。
这条银河由无数的恒星构成，其中有一些小小的红色云状物，那可能是一些恒星的形成区域。在这张图上，我们也可以看到黑色的暗道，它是银河的尘埃遮挡了更远处的恒星所造成的。
一个人在荒原上，不依赖任何仪器去看向这个宇宙。他可以通过看到的星空了解自己在整个宇宙中的位置，虽然感受到自己在宇宙中的渺小，但其思考在这样一个浩瀚的宇宙中却极具意义。
但是，必须要和大家讲的一点是，这张照片某种程度上并不是真实的。因为当我们到野外去的时候，肉眼看不到这么漂亮的星空。
肉眼观察（左）和相机拍摄（右）
我们可以看到上图中的对比。左图是我们肉眼看到的银河的样子，而右边是我们用相机拍摄到的银河的样子。
我们的眼睛太小了，所能用于接收光的面积非常小。所以，当我们去看星河的时候，看到一条银色的条带。如果没有现代的科技知识，我们并不知道这个银色的条带是什么。
这也是所有古代人面对的困难。他看夜空的时候，会觉得非常美丽，但很遗憾的是，他的眼睛并不是为这个夜空进化而来的。他能够看到有些东西在发光，但不知道这是什么，也不知道这条银河是什么。人类编出各种各样的神话故事来解释它，希腊神话认为它是一条牛奶路。我们中国的古代神话认为它是一条长河横亘在天际之间，使得牛郎和织女分隔在河的两边，不能相见。
科学家改变了这一切。伽利略在1609年的时候，第一次将望远镜指向了天空，他发现几件非常让人震惊的事情。
伽利略和第一架天文望远镜
他看到月球上有很多环形山和岩石，并不像人们想象中那样是一个由巨大奶酪构成的圆球。当他用望远镜指向银河的时候，还发现银河由非常多星星构成，并不是一条弥漫在空中的发光的长带。从那时开始，人类能够真正用科学的武器去了解银河，而不仅仅只诉诸于感性。
我们可以思考一下，与肉眼相比，伽利略的望远镜到底有什么所长呢？那就是它有一个透镜。这个透镜可以汇聚来自宇宙的光线。虽然伽利略的望远镜所用的透镜的不大，但它接受光线的能力已经比人的眼睛要强50倍。如果想要看得比伽利略更远，就需要去造一个更大的镜子。
左边的这张图是威廉·赫歇尔和他的妹妹卡罗琳·赫歇尔。在17世纪末的时候，他们建造了一台在当时非常巨大的望远镜。从右图中我们可以看到，这个望远镜大概有几层楼那么高。它的主镜，即用来接收光的镜面的直径有一米多，相比之下人类的瞳孔只有几毫米。
非常有意思的是，威廉·赫歇尔其实还是一位音乐家，他在英国的一个叫做巴斯的地方演奏。英国的冬天非常冷，这个地方也不例外，所以冬天没有人到这个地方来疗养。他觉得很无聊，就在书店里买到了天文学的书籍。阅读这些书籍催生他的一个想法：为什么我不自己做一个望远镜呢？结果，他做出来了一台当时其他所有的专业天文学家都没办法做出来的望远镜。
赫歇尔兄妹用这台望远镜做了很多重要的研究，其中一件就是发现了天王星。人类依赖肉眼能够看到的行星有水星、金星、火星、木星和土星。当赫歇尔造了大望远镜之后，人类才又一次发现了一颗新的行星——天王星。
赫歇尔的银河恒星计数和银河边界探索
他还用这台望远镜去扫视我们的天空，向各个方向去数星星。有的方向星星少，他就猜这个方向银河的边界比较近；另一个方向的恒星多，他就猜那个方向的银河边界比较远。他用这样的方法画出了近代历史上第一张银河系的地图。虽然并不是那么准确，但这是人类第一次利用科学的力量去测绘宇宙到底是什么样的。
时间推移，到了19世纪末20世纪初的时候，人们建造了更大的望远镜，最有名的就是胡克望远镜。胡克是一名非常有钱的商人，他资助建造了一个口径两米的望远镜。年轻的天文学家埃德温·哈勃，用这样一架望远镜去观察一些叫做星云的东西。
胡克望远镜（左）和埃德温·哈勃（EdwinHubble）（右）
人肉眼能够看到的天上的星星大概有6000颗。那夜空中除了星星以外还有什么？你会发现还有一些非常亮的云雾一样的天体，这些就是星云。它们是什么？它们是银河系中的气体被恒星照亮了吗？还是说它们是在遥远距离上的巨量恒星构成的世界呢？
1923年，哈勃用胡克望远镜在其中一朵星云周围找到了一颗可以测量距离的恒星。通过测量距离就可以知道，这朵在宇宙中发光的云，它的距离要远远超过任何一个银河系内恒星的距离。一个天体离我们越远，它就会显得越暗。那这个离我们非常远的天体，它本来应该是很亮的。有多亮呢？它其实和银河系一样亮，甚至恒星的数目可能比银河系更多，包含着上百亿、上千亿颗璀璨的恒星。
我们看到这张图片是一个照相干板。在哈勃的时代，人们在一个玻璃上面涂抹感光涂层，将它放置在望远镜成像的地方。如果某个区域接收到的光越多，化学反应就会越强烈，会看到这个地方越黑。所以，这张图上最黑的地方是恒星最密集的地方。
哈勃在这张照片的右上角用红色标注了三个字VAR。VAR指变星，这颗星的光度在周期性的变化。这颗星的距离是可以测定的，对它的测量改变了我们对宇宙认知的历史。
Part.2
为什么要把望远镜放到天上去？
我们想要建造更大的望远镜是因为要接收到更多的光，这样才能看到更暗的天体。但除了观察暗弱的天体，天文学家还想要把天体看得越来越清晰。
我们用肉眼去看远处的一个东西，可能会看到它是模模糊糊的一团。但当我拿一个望远镜去观察它的时候，就会发现那个东西可能是一只大熊猫。望远镜可以帮助我们分辨远处的物体。
当我们去看宇宙的时候，我们也想去分辨出来宇宙里的一些天体的结构。只有我们知道了它的结构，我们才能了解它的起源，才能了解它的演化。
于是，人类就想建更大的望远镜。但你会发现，在地面上不管把望远镜建到多大，我们都很难非常清楚地在可见光的波段去分辨一些遥远天体的细节。为什么？因为大气在抖动，我们的地球被包裹在一个100公里左右厚度的大气中，这个大气在不断的抖动。望远镜透过大气去观察宇宙的时候，不可避免地受到大气抖动的影响，观察到的图像就会模糊，所以就有人想把望远镜放到大气层外，放到地球轨道上面去。
1946年，美国的天文学家莱曼·斯皮策就想到这件事情。这是一件非常惊人的事情，因为1946年人类还没有把任何东西放到轨道上去，但是天文学家说应该把望远镜放上去。
到了1990年的时候，美国宇航局终于把一个光学望远镜放到了轨道上，就是我们知道的哈勃望远镜。哈勃望远镜经历了非常多的波折，从概念提出到建成，用了40多年才进入到宇宙中。
然而，当哈勃望远镜开始运行，人们发现它出了问题。在地面上磨制镜面的时候，留下了一点非常微小的误差。结果它虽然到了太空中，看所有的星星还是模糊的。
放在太空轨道上的哈勃望远镜（左）和进行太空维修作业的航天员（右）
美国的航天员不得不又经过了600个小时的太空维修，给它安装了一个改正镜。这就像我们很多人，需要戴一个眼镜就可以看得更清楚，人们不得不给哈勃再戴一个眼镜，才能够让它看得更清楚。
地面望远镜（左）和哈勃望远镜（右）观看的IC4710星系
哈勃望远镜最终没有辜负人们的等待。我们可以看到左图是地面望远镜拍到的一个星系的图像，非常漂亮，蓝色的、絮状的星系，很有诗意。
但是，我们去看右图哈勃望远镜拍到的这张图片，里面的星云分解成了一颗一颗的恒星。我们能知道它们的亮度，颜色。可以来推断这样的一个星系是如何形成的。
没有什么比哈勃望远镜超深场图像更能够说明哈勃望远镜的威力。如果我们伸出自己的手，食指的指甲盖大概能够挡住一平方度的天空。如果你把手伸直，手指甲盖刚好可以挡住月球，也就是说月球的面积稍小于一平方度。
哈勃望远镜能够看到的天空很小，右边这张图只占月球几百分之一的面积。哈勃望远镜特意在天空中找了一块看起来没星系，非常黑的地方去拍.............
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