如果所有天文望远镜联手，能看到多远的宇宙？科学家想想就兴奋

2019年4月10日，人类历史上第一张黑洞照片公布，轰动了全世界。在爱因斯坦的广义相对论提出的一百多年后，这个预言终于被证实。

这张照片得来不易，为了拍摄到这张史无前例的照片，科学家们作出了极大的努力。他们将分布在世界各地的多个望远镜联合在一起，构建了一台口径等效于地球直径的虚拟望远镜——事件视界望远镜，从而获得了这张令人振奋的图片。

（图片说明：人类历史上第一张黑洞照片）

很多人由此产生了疑问：如果我们可以联合更多的望远镜，甚至动用太空望远镜，是否能够获得更加清晰的图片、看到更远的宇宙呢？

携手，征途是星辰大海

理论上是可以的，但实际上却面临着很多困难。任何组织过某些活动的人都知道，将越多的人或事团结起来，难度就越大，而且是直线上升。甚至，我前不久请两个朋友到家里吃饭，都约了几次才成功，更不用说联合全世界不同国家的不同观测设备了。

（图片说明：哈勃太空望远镜）

即便如此，科学家们也没有放弃努力。他们深知全世界望远镜的联合项目能够给科学研究带来多么巨大的好处，因此虽然其中困难重重，但他们依然做着不懈的努力。

在今年3月份，由位于智利的ALMA天文台主办的行星2020大会召开，科学家们发布了一份白皮书，提出了地基望远镜、天基望远镜以及专项探测器联合的好处，倡议这样的科学项目应该尽早展开。在这次会议上，天文学家们重点分析了世界上众多望远镜的观测能力、波段等特点，进而设想了它们要如何合作，互相取长补短、强强联合，从而发挥出最强观测能力的方案。

（图片说明：阿塔卡马探路者实验，事件视界望远镜的合作项目之一）

联合，取长补短是王道

我们知道，虽然我们可以抬头仰望夜空，也可以利用简单的天文望远镜进行观测，但这些都是在可见光范围内的。而作为电磁波的一种，可见光仅仅占了电磁波非常小的一个波段。在其他波段，还有很多重要的天体信息是我们肉眼捕获不到的。通过红外线、紫外线、X射线、无线电等波段，我们都可以对天体进行不同角度的探测，揭开其中的秘密。比如人类的第一张黑洞照片，就是利用X射线拍摄的。

（图片说明：不同波长的电磁波，可见光仅仅占了很窄的一部分）

不同波长的波有不同的特点，比如黑洞的吸积盘，辐射出大量的X射线，所以科学家经常利用X射线望远镜观测黑洞；又比如红外线波长比较长，很多在可见光波段遮挡我们视线的星际尘埃和气体，通过红外波段进行观测就可以绕过这些粒子，让我们看到背后的天体，同时，科学家还可以利用红外波段探测天体的压力、温度、元素丰度等信息。因此，如果我们能够利用不同波段对某个天体进行观测，就会获得大量的信息。

比如下面两张图，就是著名的创生之柱图片，其中左侧为可见光波段拍摄的照片，右侧是红外波段拍摄的。正是利用红外线避开“障碍”的能力，我们看到了肉眼中的迷雾所笼罩的大量闪耀着光芒的恒星。

（图片说明：不同波段下的创生之柱）

但是，没有任何一台望远镜能够在如此广的波段进行拍摄，所以即使是哈勃望远镜也只能在可见光波段和一部分红外、紫外波段进行拍摄，所以太空中才有专门的X射线望远镜在运行，所以主办这次会议的ALMA天文台全称叫做阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列……它们的“各自为政”，让我们错过了很多天体的重要信息，却只能干着急。

多波段的合作观测所带来的好处，我们已经初有体验。2011年发射升空的朱诺号探测器，就具备这样的能力。如下图所示，就是它在不同波段下对木星同一位置拍摄的照片，其中左图为可见光波段，中间图为中红外波段，右图为另一部分红外波段拍摄到的照片。三张照片展示了木星不同的特征，分别展示了其他波段的盲区，这对于我们理解木星有着极其重要的意义。

（图片说明：三个不同波段下拍摄到的木星图像，展示的木星在不同方面的特征，任何单一的观测设备都无法如此全面地获得这些信息）

除了波段之外，望远镜的原理也有所不同，这也给不同类型的望远镜带来了不同的弊端。

• 天基望远镜：

万众期待的詹姆斯·韦伯太空望远镜，口径约6.5米，就被认为可以看到最遥远的天体；而我国著名的望远镜“天眼”，则有着500米的口径。首先是二者原理不同，前者更多的是光学望远镜的原理，后者则是射电望远镜。同时，地基望远镜还有一种形式，那就是阵列，通过大范围架设天线或者望远镜的方式扩大口径，这些都是天基望远镜所做不到的。

（图片说明：无尘室中的詹姆斯韦伯太空望远镜，它可以在红外波段进行观测）

• 专项探测器：

像朱诺号、卡西尼号这种专门绕某颗行星公转探测的轨道器或者是旅行者2号这样的飞掠探测器——也有它们自己的弊端，那就是由于距离过近，导致很多时候只能拍摄到行星的一部分，这对于我们了解行星整体环境等方面都有很大的影响。因此，它们同样需要地基望远镜的辅助才可以。

（图片说明：卡西尼号探测器）

举个例子，目前来说，拥有这种专项探测器最多的行星（地球除外）就是火星了，不仅有多个轨道器，还有好几辆火星车。但是，这些轨道器虽然可以对火星局部进行光谱成像，获得化学成分的重要信息。然而如果想要了解火星整个半球的数据，就需要借助地基望远镜来进行观测。并且，地基天文台可以增加深度的数据，辅助轨道器的光谱数据构建3D模型。

• 地基望远镜

当然，地基天文台也不是万能的，否则人类也没必要开发天基望远镜了。由于地球大气层的干扰，地基望远镜的观测能力受到了极大的限制。而且，地基望远镜的弱点也非常明显：

（图片说明：位于夏威夷莫纳克亚火山顶的莫纳克亚天文台，这里是地表最适合架设望远镜的地点之一）

1. 即使是家用的天文望远镜，如果品质稍微高一点，都会受到大气湍流的影响，更不用说天文台的望远镜了；
2. 由于大气分子的作用，我们在地面无法利用X射线等波段进行拍摄；
3. 地球磁场和人类的电子设备对于射电望远镜来说有着巨大的干扰，所以中国天眼才会选择建在山中；
4. 当然了，像朱诺号这样的探测器更近距离地观测天体，自然能够获得地面和太空望远镜所无法看到的“特写镜头”。

（图片说明：朱诺号探测器）

另外，在观测火星大气中的甲烷时，地基望远镜还会面临一个问题：地球大气中也有甲烷。因此，科学家们必须想办法排除地球甲烷的干扰，才能有效地进行这方面的测量。好在，他们利用多普勒效应，已经解决了这个问题。但是对于其他方面的类似问题，我们不一定每一次都找到有效的方法。如果我们未来遇到这样的问题，那就必须要求助于其他的观测设备了。

未来，遥远宇宙更易测

因此，不论从哪个方面来讲，不同望远镜的联合任务都是人类天文发展所必须要走的下一段路途。2026年，NASA的蜻蜓号探测器将前往土卫六，对这颗拥有着碳氢化合物海洋、号称太阳系最宜居天体之一的卫星进行探测。

所以，在这份白皮书中，主要作者、NASA戈达德太空飞行中心的研究化学家Vincent Kofman等人强烈建议，届时全世界的天文设备可以联合起来，对土卫六进行最全方位的探索，以确定其表面环境、化学成分和宜居程度。

（图片说明：蜻蜓号探测器在土卫六表面探索的假想图）

他们认为，蜻蜓号可以实地考察，了解土卫六表面的地形结构、液态湖泊分布等。而ALMA则特别擅长对有机物的观测和发现，ALMA的研究人员也都对土卫六非常熟悉，可以用来辅助蜻蜓号绘制土卫六的完整地图。

如果到时候真的只有蜻蜓号探测器孤军奋战，可以想象，人类将会错失许多重要的信息。反之，如果我们能够利用其它观测设备配合它的工作，将会取得事半功倍，1+1＞2的收获。

（图片说明：位于智利沙漠中的ALMA阵列）

不仅仅是太阳系的天体，在探索整个宇宙的时候，我们更加需要天文观测设备的合作。就像我们刚才分享的创生之柱一样，在不同的波段，我们可以看到不同的环境。只有全方位的观测，才能避免盲人摸象的错误。

目前，科学家已经开始考虑在月球建设望远镜，这里的绝佳环境将进一步提升人类的观测能力。未来，如果我们能够将这些望远镜加入到事件视界望远镜项目中，或许我们有望建立一个口径等效于38.4万公里的虚拟望远镜，人类的视野也将极大幅提升。一想起这个可能出现的未来，我就兴奋不已。

（图片说明：NASA预想建设在月球的月球环形山射电望远镜）

可是，想要实现这样的目标，谈何容易。我们目前并非没有足够多的望远镜，但是真正让问题变得困难的，并不在于此，而是如何将它们联合起来。

当下，挑战重重需正视

可以说，人类科技发展到了今天，已经取得了重大的突破。但是，随着科学水平的不断提升，一个人想实现重大的突破已经变得越来越难，只有团结合作才能够高效地实现科技的飞跃。

（图片说明：黑洞）

然而现实却是，在看待整个世界的时候，不同的人有不同的看法。全世界的科学合作，仍然面临着很多的阻碍和挑战。根据卡尔达舍夫的宇宙文明等级，人类目前只是勉强达到了0.7级文明，连1级文明还没有达到。即便如此，我们仍然不能很好地团结在一起，而是难逃一些彼此之间的嫌隙。

除此之外，世界上各个科学团队、观测设备也都有着自己既定的目标和方向。比如最早在明年10月份才有可能发射升空的詹姆斯·韦伯太空望远镜，早在升空前好几年，就已经“被安排”了许多研究。因此，想要实现全球范围内的天文合作，仍然有着巨大的挑战。

（图片说明：多个波段下的蟹状星云合成图像）

不过，好在科学家们总是纯粹而又执着的，他们为了科学的发展鞠躬尽瘁。比如当初的哈勃太空望远镜，一度被认为毫无用处，经费被NASA完全剥夺。但经过科学家的四处奔走，才成就了今天的伟业。相信他们仍然怀抱着这样的赤子之心，为了全世界天文观测设备的合作而不懈努力。

我们有理由相信，当全世界天文观测设备能够合作起来的时候，人类的天文学将会有一次巨大的飞跃！