在太空中使用天文望远镜跟在地面有啥不一样？
首先，最直接的、也是最重要的区别，就是大气层。咱们地球上这层厚厚的大气，看着挺好，能给我们提供氧气，抵御紫外线，但对看星星来说，简直就是个碍事儿的家伙。
你可以想象一下，地面上的望远镜就像在水底看东西。水会扭曲光线，让你看到的图像模糊不清，而且水里还可能有很多悬浮物，把光线挡住。大气层也是一样，虽然没那么夸张，但它同样会搅动、吸收和折射来自宇宙的光线。
大气闪烁（Seeing）：这是最让人头疼的。由于地球大气层各处温度、密度不同，空气会不停地流动，就像在热浪上空看东西一样，星星的光线会忽明忽暗，抖动得厉害。你用地面望远镜看行星，有时候会看到它像是在跳舞，这就是大气的“锅”。太空里的望远镜，因为它在地球大气层外面，没有这层搅动，所以看到的星星就是稳定、清晰的点，没有那种“跳舞”的感觉。
大气吸收：大气层对不同波长的光线吸收程度也不同。比如，我们知道宇宙里有很多红外线、紫外线、X射线和伽马射线，这些对研究宇宙的形成、恒星的演化非常重要。但是，地球的大气层会把大部分这些短波长的射线都挡住了，只有可见光和一部分红外线能穿透过来。地面望远镜就只能看到这些“幸存者”，很多宝贵的信息就丢失了。太空望远镜则可以不受大气吸收的限制，捕捉到全波段的电磁辐射，就像给我们的眼睛装上了“超能力”，能看到更广阔的宇宙。
大气散射：白天，太阳光被大气层散射，所以天空是蓝色的。这种散射也会对地面望远镜造成影响，尤其是在观测非常暗弱的天体时，天空的背景光会显得很亮，干扰了我们看到远处微弱的信号。太空望远镜在黑漆漆的宇宙背景中观测，不受这种散射影响，对比度更高，更容易发现那些难以捉摸的暗弱目标。
第二个很大的不同，就是观测环境。
天气：在地面，你还得看天气好不好。阴天、雨天、雾霾天，想看星星？没门！就算晴天，城市的光污染也会让你大打折扣。太空望远镜就不受这些限制了，它们可以一年365天、一天24小时不间断地工作，只要需要，就能打开“天眼”看看宇宙。
重力：地面望远镜需要克服重力，把庞大的镜筒和设备稳稳地支撑起来，这需要非常坚固的结构和复杂的机械系统。为了减少重力的影响，很多大型地面望远镜会建在非常高、非常稳定的山上。太空望远镜则是在失重的环境中，这在设计上就更灵活，而且不需要担心重力对光学元件造成的形变，理论上可以做得更大、更轻巧（当然，发射上去的成本也是天文数字）。
再者，观测的“视野”也不一样。
地球遮挡：地面望远镜，你只能看到头顶那一小片天空，而且随着地球自转，能看到的范围也在不断变化。太空望远镜，一旦进入轨道，它们可以围绕地球飞行，理论上可以观测到天空中大部分的区域，甚至可以进行“轨道式”的巡天观测，把整个宇宙“扫”一遍。
视宁度（Seeing）：前面说的大气闪烁，其实就是影响视宁度。地面的望远镜，即使在最好的条件下，视宁度也受大气影响，分辨率（能区分多近的两个天体）是有限的。太空望远镜，没有大气扰动，它的理论分辨率可以达到极高的水平，就像把望远镜直接放在宇宙真空里一样，能看到更多更精细的细节。
当然，建造和维护的难度也是天差地别。
成本：把一个望远镜送上太空，光是发射成本就高得离谱。而且，一旦在太空出现故障，维修起来比在地面上困难太多了，很多时候甚至根本无法维修，只能报废。所以，太空望远镜的设计必须极其精密，故障率要低到几乎为零。
技术要求：为了能在太空严酷的环境（真空、强烈的辐射、极端的温度变化）下工作，太空望远镜需要非常特殊的材料、精密的电子设备和可靠的生命支持系统（如果有人在的话）。地面的望远镜虽然也需要高科技，但环境相对温和得多。
举个例子，哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope）和我们地面上的一些大型光学望远镜（比如智利的VLT）相比。哈勃在太空中，可以看到非常清晰、高分辨率的图像，能够捕捉到来自遥远星系的紫外线和可见光。而地面上的望远镜，即使是最大的，也需要依赖复杂的自适应光学系统来补偿大气的影响，才能勉强达到接近哈勃的清晰度，而且它们能接收的光谱范围也受限于大气。
总而言之，太空望远镜就像是给我们的眼睛开了“金手指”，让我们能够突破地球大气层的种种限制，看到一个更清晰、更广阔、更全面的宇宙。地面望远镜也很重要，它们更经济，也更容易维护，而且很多时候是我们在太空望远镜工作之余的“备份”和补充，共同为我们探索宇宙贡献力量。
网友意见
进入工业革命时代后，人类的科学技术水平突飞猛进，对宇宙的认知也快速提升。曾经黑暗幽深的宇宙，在科学家眼中已经变成了充斥着各种电磁波、高能粒子和引力波等的喧闹世界。为了寻觅这些电磁波和高能粒子中记录的宇宙演化的轨迹，各种观测工具和手段也被相继发明出来。
一、地球表面看宇宙：大气屏障，干扰众多
在近三百年各种观测工具和手段发展过程中，最为人熟知的就是光学天文望远镜。尤其是伽利略改造出的首个天文望远镜，让人类第一次看清了地球附近的天体。这种望远镜针对的就是人类肉眼最为熟悉的可见光频段。
从地球表面观测电磁波的频谱窗口透明度，真正的有效观测的窗口极小（图源：公共版权+本文注释）
然而，科学家很快意识到了在地球表面观测宇宙中电磁波和高能粒子的难度。地球的浓厚大气、电离层、臭氧层和地磁场等“联合”起来，阻挡了宇宙中绝大部分高能粒子和电磁波抵达地表，让人类“失明”“失聪”，只在可见光和无线电波附近留下了极其狭窄的频谱窗口可以让人类观察宇宙。
因此，人类修建的望远镜基本仅能集中于光学类和射电类，其中典型代表如我国的郭守敬望远镜和FAST“天眼”，前者集中观测370-900纳米波长的电磁波、主要为可见光，后者集中观测10厘米-4.3米波长的无线电波。对于其他频段的电磁波，往往没有有效的办法进行观测。
但即便如此，光学和射电望远镜的观测也存在诸多不足。气象条件、大气流动造成的“眨眼效应”和折射等现象，极大影响着可见光频段的观测。城镇化进程带来的光污染，甚至大量人造地球卫星反射光造成的污染，也成为天文学家近些年的“噩梦”。而对于观测窗口相对较大的无线电波频段，越来越广泛、越来越强烈的移动通信、电视广播等也造成了很大干扰，为了保证射电望远镜的正常观测，往往还需要在附近建立巨大的“宁静”区。
近些年让天文学家头疼的事情之一就是越来越多的低轨卫星星座，图为CTIO望远镜在观测中被星链卫星的干扰。图中显示的是2019年11月的情况，彼时，星链刚在起步测试阶段，到未来完全建成后达到数万颗，巨大影响不容忽视（图源：CTIO）
于是，很多天文学家很早就提出了将望远镜搬出大气层、送入太空的想法。但直到第二次世界大战结束后，人类才开始基于德国V2火箭技术真正开始探索航天事业发展。1946年，著名天文学家莱曼·施皮茨在论文中全面论述了太空望远镜的优势。20世纪60年代起，美国国家航空航天局（NASA）和苏联太空计划等进行了一系列太空望远镜实验，例如1962-1972年间美国的轨道太阳天文台系列任务，1965-1968年间苏联的质子宇宙射线和粒子探测系列卫星，1973-1979年的美国天空实验室空间站也携带了一个巨大的阿波罗太空望远镜。它们共同验证了太空望远镜在太阳和更广袤的宇宙观测方面的巨大潜力，为人类开启太空望远镜时代打下了坚实基础。
人类主要太空望远镜任务和对应电磁波观测频段（图源：公共版权+本文注释）
二、太空望远镜：航天与天文学结合的极致
早期的太空望远镜主要为解决地球上最难以实现的高频电磁波和高能粒子的观测问题，尤其是伽马射线、X射线、紫外线和高能粒子等。高频电磁波和高能粒子往往代表着宇宙中最激烈的天文现象，例如伽马射线暴反映出了大质量恒星塌缩为黑洞、中子星合并和超新星爆发等现象。事实证明，以康普顿、雨燕、钱德拉、费米等为代表的太空望远镜极大地助力了相关天文学研究的发展，这个领域也诞生了最多的太空望远镜。直到今天亦是如此，其中，我国近期发射的“慧眼”硬X射线调制望远镜卫星和“悟空”暗物质粒子（高能粒子）探测卫星，为这个领域做出了巨大的贡献。
哈勃太空望远镜飞行时的全景图（图源：NASA）
在可见光观测方面，哈勃太空望远镜则成为了所有太空望远镜中的“超级明星”。自1990年升空后，它已经为人类服役了超过30年，极大地改变了人类天文学的发展进程，数以万计的经典图片也成为了许多公众关注天文学、喜欢天文学的契机。
它的成功，恰恰是人类航天技术与太空望远镜技术完美结合的最佳案例。一方面，军方对光学类侦察卫星（例如日冕、锁眼）的需要和投入促成了一整套完善的高端产业链，例如珀金埃尔默、柯达、康宁等知名公司，它们可联合生产大尺寸、高分辨率、多观测频段、极低膨胀率、质量低的镜片；另一方面，航天飞机项目在20世纪70年代末已经逐渐成型，它拥有超大尺寸的机舱（18.3米长、4.6米直径）和约24吨近地轨道载重量，自身机动能力极强，可完成多种近地轨道任务。同时，它也是人类史上发射期间负荷和震动最小的航天器，使得可装载载荷的设计空间大幅提升，更适合发射极其精密的太空望远镜。不仅如此，航天飞机还是人类史上唯一能进行大规模太空维修的航天器。我们回顾过去的时候更加确信，正是航天飞机这方面的能力多次拯救了哈勃太空望远镜。
为哈勃太空望远镜，NASA总共进行了六次航天飞机任务，付出了巨大代价
哈勃太空望远镜最初被设计为一个主镜片直径2.4米，拥有广域和行星照相机、高解析度摄谱仪、高速光度计、暗天体照相机和暗天体摄谱仪等核心仪器的庞然大物。它长13.2米、直径4.2米、总重11.1吨，运转在倾角为28.5度的近地轨道。然而，当它被发射升空后，科学家们才发现珀金帕尔默生产的巨大主镜片出了问题，镜片边缘出现了2.2微米的误差。虽然这仅是镜片直径的百万分之一级别，但对于需要观测动辄数亿光年外天体的哈勃而言，完全无法接受。最后，科学家们做出的选择是利用航天飞机在太空中直接维修，给近视眼的哈勃太空望远镜“戴”上一副“眼镜”（太空望远镜光轴补偿矫正系统COSTAR）。随后，航天飞机多次维护和更新哈勃，几乎在太空中重造了它，也使得它能工作至今，一次次攀登上人类天文学研究的高峰。目前，我国也计划发射一个类似哈勃的巡天望远镜，长期与未来的天宫空间站共轨飞行。
凌星法探测系外行星效果，通过亮度变化确定行星出现（图片修改自：NASA）
三、可见光和红外观测：洞察人类的未来
可见光观测也是人类探索遥远地外生命存在可能性、尤其是系外行星的重要研究方式。其中的典型代表是开普勒太空望远镜。它主要基于凌星法开展研究，即行星挡在恒星前面时，会导致恒星的亮度稍微降低，如果观测到连续三次凌星，就可以确定它是颗凌星行星，从而得到它的轨道周期、大致大小等信息。开普勒望远镜发现并确认了近3000颗系外行星，占人类迄今为止所有发现的70%以上，甚至包括类似太阳系的开普勒-90星系（它与太阳系类似，而且也拥有八大行星）。毫不夸张得说，开普勒太空望远镜以一己之力改变了这个领域的发展。凌星法对光学观测的精度要求颇高，像开普勒太空望远镜的观测精度，就达到了惊人的0.01%星等，这是大尺寸地面光学望远镜几乎不可能实现的目标。
红外线和微波观测，也成为近些年太空望远镜发展的最热门方向。大家耳熟能详的宇宙微波背景辐射和红外线背景辐射研究，就离不开斯皮茨、赫歇尔、威尔金森和普朗克等著名太空望远镜的观测数据。这个领域也即将诞生人类历史上最贵的太空望远镜——詹姆斯·韦布望远镜。这台望远镜主要集中于观测波长为0.6-28.3微米的红外线频段，目前预算已经接近100亿美元！当然，物有所值，在惊人的资金投入的支持下，它所使用的是一系列目前人类太空望远镜和航天领域的极致技术。
詹姆斯·韦布看起来犹如太空中的一艘巨型战舰（图片来源：NASA）
詹姆斯·韦布的镜面设计要求是6.5米口径，这个大小超过了火箭发射的尺寸限制。因此，科学家选择的方案是加工18面一模一样的六边形，折叠起来，进入太空后再展开。这就导致镜片必须用抗弯刚度高、热稳定性好、热导率高、密度低的碱土金属铍制作，抛光精度更是要求达到10纳米级！这相当于几十个铍原子摆在一起的宽度。它还需要携带一把五层“太阳伞”隔绝热量，每层完全展开时占地大小有300平米左右，但厚度仅25微米或50微米（第一层），这个厚度甚至小于人的头发直径。
镜子和遮阳板都需要先叠在一起，“塞”进火箭里，再被送到距离地球150万千米外的日地拉格朗日L2点，最后，按要求展开。由于航天飞机早已全部退出历史舞台，詹姆斯·韦布太空望远镜也基本没有太空维修的可能性。正因如此，预计将在2021年11月执行发射任务的欧空局阿里安5火箭压力可想而知。毫无疑问，顺利发射、展开后，它将让人类对宇宙的认知进入新的阶段。
“地球是所有人类的摇篮”，她的质量约为太阳的33万分之一，距离太阳约1.5亿千米，光线仅需8分钟即可抵达。而人类目前已观测到的宇宙半径，已经达到了465亿光年，这是光线用465亿年跨过的旅程。由于宇宙膨胀，它甚至远大于宇宙约138亿年的寿命。虽然，地球只是太阳系中不起眼的暗淡蓝点，而整个太阳系在宇宙中其实都无比渺小。但是，正如航天先驱齐奥尔科夫斯基对地球摇篮的下一句评论一样，“人类不可能永远生活在摇篮里”，我们需要将视线望向宇宙深空，我们必须将视线望向更远的远方，最终迈向星辰大海。太空望远镜，就是人类望向深空的眼睛，指引着我们前行的方向。
出品：科普中国
制作：太空精酿
监制：中国科学院计算机网络信息中心
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