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望远镜改变了人类认识自己和认识自然的方式。随着一架比一架更先进的望远镜的问世，人类看得更远，知道的也更多。现在，就让我们来回顾一下充满趣味的望天历程，并且在此过程中——
八层楼高的巨型门滑开，一双巨大的“眼睛”将它的“目光”投向太空最深处——这就是大名鼎鼎的“大型双筒望远镜”。作为地球上最强大的望远镜之一，位于美国亚利桑那州的这架大型双筒望远镜价值超过1.2亿美元，它那直径超过8米的镜子能搜集到只有人眼可见光强度的百万分之一甚至千万分之一的光线。这架600吨重的机械望远镜的能见距离超过130亿光年，也就是我们所在宇宙的最边缘。
像大型双筒望远镜这样的超级望远镜能拍摄到天空中哪怕最黑暗角落的实时图像。从这些图像上我们可以看到。如巨浪翻滚的气体和尘埃云正在与超音速风搏斗，其搏斗场景被成千上万颗充满活力的新生恒星点亮。这些高达92万亿千米的巨型云团其实正是“恒星产房”，它们是恒星群诞生的地方。
突然，一颗恒星的爆发性死亡发出的超热气体以每秒上千千米的速度撕裂太空；与此同时，在遥远星系中，一个超大质量黑洞——宇宙中最神秘的物体之——正在发出不可见的能量射流。借助高科技的望远镜，无论是对恒星爆发产生的超热气体，还是对超大质量黑洞发出的能量射流，天文学家都能为其拍摄照片。
自第—架望远镜于17世纪诞生以来，短短几百年间望远镜已经改变了人类认识自己和认识自然的方式。随着一架比一架更先进的望远镜的问世，人类看得更远，知道的也更多。
认识太阳系
关键角色：伽利略
1609年夏天，意大利数学教授伽利略·加里雷正在完成自己的一项发明，那是一架被叫做“望远镜”的东西。在古希腊文中，这个名词的意思是“能看见远处的东西”。很快，他的新发明像野火燎原一样蔓延整个欧洲。
当时，在荷兰的一个小镇，眼镜制造者在制作精确的透镜时发现，假如把两类不同的透镜以相隔合适的距离放置，就能产生令人吃惊的光学效果——这两面透镜起着放大远处物体的作用。伽利略立即意识到了这一发现的潜在意义。他利用这个原理制作出了可见距离为人眼可见距离8倍的望远镜。很快，成尼斯军队买下这架望远镜，用来监视敌人的船队。接着，伽利略又将望远镜对准太空，从而开始了一场革命。在伽利略之前，所有天文学家都认为天宇就是他们裸眼能看见的一切——星星和月亮。他们用肉眼看到，天空中有5颗星有时比其他星星都亮，如果连续数夜观察，这5颗星在其他群星的背景上移动，并且这5颗星时而可见时而不可见。
他们称这5颗星为“行星”，这个名字在希腊文中是“流浪者”之意。其中，金星被称为晚星，它总是在日落时分掠过地平线；火星亮得有些发红；木星和土星比周围的星星都亮。我们现在已经知道这些“流浪”的星星实际上都是像地球一样的行星，但在伽利略时代，每个人都相信这5颗星只不过是一般的星星。宇宙中只有一个世界，那就是地球，地球是宇宙的中心，白天太阳围着地球转，月球和其他星星则在漫漫长夜里以巨大的勒轨道绕地球打转。
然而，伽利略向人们证明：这不过是错觉而已。当伽利略开始用望远镜观察月球时，人们已知的世界秩序也就开始被打破。在旧的宇宙学中，所有的天体都是完美无缺的，月球是一个天体，因而它在人们眼中也是完美的。但是，穿越40万千米的太空，伽利略所看到的月球远不如他所期望的那样平滑——月球表面实际上布满疮痍，到处是陨击坑和峡谷。
既然在月球上并不鲜见地球地貌，那么地球在宇宙中自然也就算不上独一无二了。这还只是一个开端。接下来，伽利略将望远镜瞄准了木星——“流浪的星星”之一。裸眼看去，木星是一颗明亮的星，确切说是一个光点。透过伽利略的望远镜看去，所有其他星星都只是光点，而木星突然变成了一个大得多的圆盘。尽管望远镜的镜头质量不佳，无法看清木星的真面目，但根据透过望远镜所看到的模糊不清且摇晃厉害的木星图像，伽利略做出了一个伟大的结论：木星一定是球形的另一个世界(也就是我们今天所说的另一颗行星)。
在木星周围，伽利略有了更惊人的发现。他透过望远镜看见，木星旁边还有两到四颗星，它们就像小鸭跟在木星这个“大鸭”的后面。夜复一夜，伽利略注意到这些新星的位置不断变动。在观察这些“小鸭”一两周之后，伽利略意识到它们其实是环绕木星的卫星(木卫)。伽利略知道自己获得了重大发现，并且把这些发现写在了他出版的《星之信使》一书中。
然而，更大的发现还在后面——伽利略的观察记录将永远改变人类的宇宙观。伽利略当时观察到，金星在一个月里不断地改变其形状和大小。具体而言，伽利略发现，金星每个星期都在改变，从一个大新月形变成一个小圆盘，接着阴影再次爬上金星，让它又回复到大新月形。伽利略认为，他在金星上看到的阴影只可能意味着一件事：金星在围绕太阳运行。这就是说，与当时人们的信仰—每个天体都围绕地球转不同，地球不再是宇宙的中心。
对于伽利略的这些发现，当时的罗马天主教会非常不满，因为教会向人们灌输的观点是：上帝把人类放在地球上，也就是放在了创世的正中心。以太阳为中心的宇宙挑战了教会的权威，教会对此当然不能容忍。然而，伽利略对太阳系的认识是完全正确的，他的发现永久性地改变了世界。
探索土星环
关键角色：“卡西尼号”
今天，望远镜以当年伽利略只能梦想的细节向我们展示了太阳系：太阳表面的爆发威力高达1000万亿吨梯恩梯；木星表面的大红斑实际上是一个超巨型风暴涡旋，它大得足以吞没三个地球；在木星的卫星伊娥(木卫一)表面，火山将气体和尘埃喷进太空；在火星上，有一个比地球上著名的大峡谷(位于美国西部亚利桑那州西北部的凯巴布高原上。全长446千米，平均谷深1600米)深6倍的峡谷，有一座比珠穆朗玛峰高3倍的火山；在金星大气汹涌起伏的硫酸云之下，山脉自金星的岩石表面崛起；在太阳系的边缘，由岩石和冰构成的矮行星正环绕太阳运行。
不过，有一颗行星一直充满谜团，就连最先进的望远镜也不能破解它的秘密，这就是土星和它的环系统。伽利略是首先看出土星与众不同的人，他观察到土星有两只奇异的“耳朵”，并推测它们是土星的卫星。后来的天文学家看出，这两只“耳朵”实际上是一条环绕土星的巨大扁平环。再后来，有一个人发现，这个大环其实是由多个同心环组成的。此人就是在意大利出生的法国天文学家乔凡尼·卡西尼。
现在，一项以卡西尼的名字命名的探测计划——美国宇航局的“卡西尼任务”正在实施中，其目的是查明为什么土星会有环，以及土星环是由什么构成的。在“卡西尼号”飞船前往伽利略时代太阳系中最远的卫星——土星的过程中，飞船 借助木星巨大的引力拉动使自己朝着目的地方向弹射出数百万千米。借助木星的引力，“卡西尼号”的速度高达每小时11万千米以上，即使这样。这艘飞船还是花了7年时间才抵达距离地球远达15亿千米的土星。接着，它下潜穿过土星的外环，进入环绕土星的轨道。
从“卡西尼号”拍摄的土星环照片上看，土星环好像是完整的固体，但实际上土星环是由数十亿块冰和岩石构成的，这些冰和岩石的大小从一粒沙到一幢房子都有，它们散落在宽达数十万千米的范围内。问题是，这些东西是从哪里来的呢?“卡西尼号”携带的望远镜的观测结果证实，土星环的内环是由陨星碰撞土星的卫星(土卫)，从土卫表面弹射出的材料构成的。不过，土星最外环的来源一直还是谜。
由“卡西尼号”拍摄的图像显示，土星最外环与最内环不同，是由微粒构成的，看上去就像是鬼魅的雾。天文学家怀疑冰质的土卫二——恩克拉多斯可能是这团雾的来源，但这中间的具体机制却无人知晓。不过，他们通过“卡西尼号”的望远镜看到了一个前所未见的现象：巨大的蒸气柱自恩克拉多斯表面的裂缝喷涌而出，高度达数百千米。这些蒸气柱会不会正是土星外环的来源呢?为找到答案， “卡西尼号”做了一件很了不起的事：直接飞到蒸气柱中，用它搭载的探测器“品尝”了蒸气柱的“味道”。在地球上的任务控制中心里，天文学家紧张地分析“卡西尼号”发回的数据。结果显示，恩克拉多斯喷出的蒸气是由冰、盐和氨组成的，同土星外环的成分完全一致。这就确凿地证明了恩克拉多斯喷出的蒸气柱正是土星外层雾环的来源。
这真是—个重大发现。“卡西尼号”搭载的空间望远镜正在破解困扰了天文学家几个世纪的土星环之谜。今天的望远镜正望向越来越深的太空，以发现伽利略或许从未想见的秘密。但是，为了捕捉到清晰的太空图像，望远镜不得不经过了深刻的变革才发展到今天的地步。
革新望远镜
关键角色：牛顿
这场变革的第一步是尽量增加望远镜的长度。让我们回到17世纪50年代。早期望远镜的一个主要问题是影像模糊，原因在于透镜的形状。当用一个强弯曲度的镜头来折射光线时，光线不能全部汇集到一个点，因而影像模糊；此外，一些光线的颜色可能出现分色——彩虹色，这也会扭曲图像。
尽量避免模糊与彩虹色的唯一方法就是使用更薄的透镜，透镜的弯曲度也应更小，但这样一来光线的聚焦点就远离了透镜，结果是折射望远镜的放大倍数越大则望远镜的长度也就越长。到了大约1660年，望远镜的放大倍数已增加到50—100倍，与此同时，望远镜的长度也达到了荒谬的程度：最长竟超过45米，也就是相当于一个橄榄球场的—半长度了。
如此笨重的望远镜的确效果更好，但天文学家希望看到更多的细节，而这些望远镜依然无法消除彩虹色。接着，最伟大的科学巨匠之一伊萨克·牛顿开始着手解决这个难题。他关注的是光线本身。牛顿发现，白光其实是由所有不同颜色的光组成的，这些颜色共同构成了彩虹色。当白光透过一面玻璃棱镜时它会折射分解成彩虹色，这就是天文学家碰到的透镜望远镜难题的根源。于是牛顿想到：好了，我们必须全盘抛弃折射望远镜，因为它已到穷途末路，我要设计出新型望远镜，它不能使用透镜。
牛顿在他的新型望远镜上使用的是镜子，他坚信镜子照样能达到并超过折射望远镜的效果，这是因为当镜面弯曲时一样能让光线聚焦。实际上，用这样的镜子聚焦阳光的确能点燃纸张。但镜子和透镜有一个本质的区别：光线从镜子表面反射，而不是穿越镜子，因而就避免了彩虹色。牛顿制作了一架小小的镜面望远镜，其长度不到20厘米。他将一面直径仅为3.8厘米的弯曲的镜子安装于望远镜镜筒的底端，来自天宇的光线进入镜筒，到达弯曲的镜面并反射，接着再到达一个不弯曲的镜面并反射，最终聚焦于目镜。这么一架小小的镜面望远镜，同长度超过120厘米的透镜望远镜效果一样好。
牛顿运用镜子制作望远镜，一举消除了彩虹色这个自伽利略时代以来一直困扰着望远镜的难题。今天，望远镜从分布于世界各地的天文台望向太空。不断扩展人类的宇宙视野，捕捉发射于几十亿年前并穿越我们所在宇宙的光线。所有这些望远镜都依赖于形状完美的大型镜子，而制造出这些镜子是精密工程学的丰功伟绩。
在美国亚利桑那大学的足球场的地面下深处，是一个高科技镜子实验室。在那里，玻璃块在巨大的熔炉中于1100℃以上的高温下被熔化，这一温度相当于火山熔岩的温度。接着，炽热的玻璃液被旋进超光滑的弯曲碟子中。20吨重的碟形冷却玻璃接下来被用直径不到人发丝的粉末进行打磨，以制作精确的形状。最终，覆上一层厚度仅为100纳米的极薄的铝膜，玻璃碟就变成了镜子。亚利桑那大型双筒望远镜的镜面就是这样制成的。其中每个镜面的直径超过8.5米，面积是牛顿制作的第一面镜子的64000倍，能够捕捉来自数十亿光年距离以外的光线。
回溯到牛顿时代，要想制造形状正好的大型镜子真是难上加难。在牛顿之后100年，一个新的先驱重拾起牛顿的革命性设计，并将它加以革新。这个人就是英国单簧管演奏家兼业余天文学家威廉·赫歇尔。虽然身为音乐家和作曲家，赫歇尔的真正兴趣却在天文学，他有一个雄心壮志，就是使用大型的牛顿式镜面望远镜望向更深的太空，要比所有前人都望得更远。
发现天王星
关键角色：赫歇尔
为了看见当时其他望远镜都看不见的最微弱的星星，赫歇尔需要更大的望远镜。然而，在赫歇尔时代，制作大型曲面镜仍是一大技术挑战。当时玻璃镜子尚未问世，镜子仍然使用金属来制作。赫歇尔在他的地窖里用熔化的锡和铜来铸造金属碟，这是制造金属反射镜的第一步。为了将冷却后的平面金属碟变成闪光的曲面，赫歇尔不厌其烦、不辞辛苦地纯手工打磨金属碟，直到其形状恰好能形成图像。这就是反射镜面，是镜面望远镜最宝贵的部件。
运用这样的望远镜，赫歇尔在200多年前取得了一个革命性的发现。1781年。赫歇尔透过自己制作的镜面望远镜夜复一夜地望向苍穹，在他身旁是他的妹妹卡洛琳，她记录他们观测到的所有结果，最终自己也成了著名天文学家。那一年的3月13日，赫歇尔透过望远镜看到一个他们此前从未记录过的天体——一颗看似在群星背景上移动的非常暗弱的星，这颗“流浪之星”就是天王星。
自有一整套环的天王星，大小是地球的63倍，但人用裸眼几乎看不见它，在赫歇尔之前无人记录过颗行星。天王星距离太阳30亿千米(这是土星与太阳之间距离的两倍)，也是当时所知最远的行星。可以说，一夜之间，赫歇尔就把太阳系扩大了一倍。这一发现激发了人们寻找行星的狂热潮流，也使全球望远镜越来越先进，这一趋势持续至今也不停歇。 在美国夏威夷的死火山莫纳克亚山巅，黄昏的太阳正在降下。凯克天文台的巨型圆顶开启，10米直径的望远镜望向太空。乔夫·马西是全球最顶尖的“行星猎人”之一，他正运用凯克望远镜寻找太阳系中除地球之外的行星。仰望夜空，你会看见成千上万个闪烁的光点，它们是像太阳一样的恒星，像马西一样的“行星猎人”相信，其中许多恒星都可能像太阳一样拥有自己的行星。
然而，要想寻找太阳系以外的行星就像大海捞针一样难。寻星望远镜直到1995年才在这方面有了突破：它们观察到一颗很平常的恒星正在轻微晃动，这意味着某种引力正在拉动恒星，而这正是一颗不可见的行星存在的证据。环绕这颗恒星的行星就是飞马座51b星。这颗太阳系外的行星的发现，在人类历史上真是一个重大事件，因为它向我们首次证明太阳系之外照样存在行星，其中说不定还有像地球一样的生命之星。
从那以来，全球天文学家已经发现了超过400颗太阳系以外的行星存在的证据。不过，其中大多是像木星那样的气态巨行星，它们在过于靠近母恒星的轨道上运行，因而不可能支持生命。而找到另一颗支持生命的行星，才是“行星猎人”的真正目标。生命之星必须温度适宜，有液态水或其他液态物质，还必须满足其他一些基本条件。而要有像人一样的智慧生命，则条件更为苛刻。
寻找像地球这样个头较小的岩石行星绝非易事。现在让我们来看美国宇航局的一类全新的空间望远镜——“开普勒号”。发射“开普勒号”的目的，正是为了寻找在某些方面同地球相似的行星一类地行星。具体而言，在“开普勒号”的3年任务期里，它要寻找和地球一般大小、环绕其他恒星运行的行星。“开普勒号”计划搜集来自银河系中10万颗恒星的光线，在其中查找其他行星世界的线索。
测量星光的一个重要思路，就是当行星从正面经过其母恒星时，会遮挡恒星的很小一部分光线，因此恒星会略微变暗一点。也就是说，只要观测到这种变化，就可间接证明行星的存在。运用这一思路，“开普勒号”已经发现了多颗太阳系之外的行星。虽然它至今未找到一颗类地行星。但天文学家相信这只是时间问题，也许再过几年就会找到另一个像地球一样的生命家园。
尽管“开普勒号”要观望多达10万颗星，但那仍只是天空的微小一隅，仍有数千亿颗恒星等待我们去搜寻。“行星猎人”们还有别的办法，就是利用地面望远镜来研究距离我们最近的那些恒星。运用小型机器人望远镜，一次可以扫描2000颗亮度远比太阳小的恒星，也更易于观测从正面经过母恒星的较小个头的行星。通过这种办法，天文学家发现了一颗大小只有地球2.7倍的行星。这是一颗“超级地球”，它很可能拥有水和大气层，但表面200℃的温度还是太高，因而不能支持生命存在。不过，它向我们发出了一个信号：太阳系以外应该还有更诱人的行星存在。
为了发现可居住的行星，专业天文学家还借力于业余天文学家。全球各地都有业余天文学家，他们所拥有的望远镜也能进行天文调查。专业天文学家不可能花太多时间夜复一夜地凝视同一颗恒星，但业余天文学家却像当年赫歇尔发现天王星那样能做到这一点。运用这种办法，业余天文学家迄今已发现了多颗太阳系外的行星。遗憾的是它们都太靠近自己的母恒星，因而无法支持生命存在。不过，同所有已知的太阳系外的行星一样，它们都在我们所在的星系——银河系内环绕各自的母恒星运行。
认识星云
关键角色：赫歇尔
今天我们已经知道，银河系中有很多很多的恒星，太阳只不过是其中的一颗而已。而短短200年前，人们还根本不知道自己生活在一个星系中。直到1781年，威廉·赫歇尔建造了一架长6米多的反射式望远镜(镜面望远镜)，运用它，他看到了比当时地球上任何其他望远镜看到的数目都多的星星。他对夜空中的一部分观察得尤其仔细，这个由群星组成的条状地带就是我们今天所称的银河系。
在能见度高的夜晚，银河系简直就是一大景观，是我们头顶上一条明亮的星光带。对古人来说，它就像牛奶泼在了天幕上，这是古希腊人称之为“牛奶圈”的原因所在，也是今天的“银河系”(“银白或乳白色的星系”)一词的来源。天文学家们至今对银河系十分着迷。从地平线到地平线，银河系跨越天空，仿佛一条巨大的带子环绕着我们。于是，从地球上看去，我们就像是坐在轮毂上，而银河系就是环绕着我们的一个巨大轮胎。
伽利略是第一个透过望远镜发现银河系由群星组成的人，但当时无人知道它是一个星系，甚至也不知道它的形状。而这正是赫歇尔当年最着迷的一点：“银河系究竟是什么形状?我们应该是置身于银河系中央吧?从它外面看它是什么样子呢?”他不知疲倦地夜夜望天，为群星的位置画图。就这样，对于他能看见的那个划破天空的大圆圈内的所有星星，他都画出了它们的位置，还数出了它们的数量，从而开创了天文学中的星星计数法。
这项精准的绘图和计数调查花了赫歇尔一年多的时间。最终，他根据他的观测结果绘制了一张“磨石”图。在人类历史上，赫歇尔率先看出银河系并不仅仅是天空中的一条星带，而且还是很大很大的一块星盘。赫歇尔相信，这便是整个宇宙了。也就是说，这个星盘的边缘也就是宇宙的边缘，太阳系就躺在星盘内部。令人惊讶的是，赫歇尔在200多年前的认识竟然有大部分是正确的。现在，最强大的地面和太空望远镜已经揭示，地球和整个太阳系位于银河郊区的一条旋臂上，而整个巨型银盘中竟有2000亿颗恒星。
银河系实在是太大了，哪怕以光速(每秒30万千米)从银河系一端跑到另一端也要花10万年时间。为了更深入地了解银河系，科学家设计了一架新型望远镜，计划最广泛、最深入地观察银河系，它就是“赫歇尔太空天文台”(简称“赫歇尔”)。“赫歇尔”要为整个银河系绘制地图，包括恒星的形成与死亡，以及星系是怎样成为一体的。
经过多年细心准备，调制好的“赫歇尔”终于发射升空。在离地160万千米的太空，这架迄今最大的太空望远镜在人眼无法看见的可见光波段以外的远红外光波段观测太空，这意味着它能测量温度的细微改变，从而看穿宇宙尘埃云，以空前的清晰度拍摄宇宙的图像。
“赫歇尔”果然不负众望，从它传回的图像十分惊人。通过它，天文学家一直看到了恒星的诞生地。如果用可见光观察恒星诞生地，你会看见，那里到处都是恒星；而用红外光观测，你会发现银河系的绝大部分其实是由尘埃和气体构成的，而恒星正是从尘埃和气体中孕育的。
没有其他任何望远镜能看清银河系的如此多的细节。200多年前，赫歇尔根本无法看见银河系一些区域中的群星。虽然他在夜空中看到的星星比当时其他任何人看到的都多，而且他还通过望远镜观测为星星们画出了地图，但仍有一个未解之谜困惑着他：夜空中有成千上 万个奇奇怪怪的东西，也就是被天文学家称之为“星云”的东西。
夜空中有一些模糊的块状地带，它们看上去就像是被撕裂的银河碎片。你甚至用肉眼也能看见几个这样的“碎片”，例如仙女座。但透过望远镜，你能看见上万个这样的块状地带，它们形状大小各异，美丽而又神秘，如仙女座，它从边缘到中心越来越亮。赫歇尔记录了超过2300个星云，并且对它们进行了分类，但他无法看出这些神秘物体究竟是什么，也不知道它们具体是在哪里。
在赫歇尔之后，星云之谜又继续困扰了天文学家60年，直到古怪的罗斯爵士在爱尔兰的比尔堡制造了当时世界上最大的望远镜。六层楼高的墙支撑着罗斯爵士的20米长的望远镜镜筒，镜面直径竟相当于一个成年人的身高。他将望远镜对准星云，绘出自己看见的一切。这样一来，模糊的星云被首次聚焦。在一些星云内部，罗斯爵士看见了恒星和旋臂结构。但有一个问题，罗斯爵士的望远镜只能上下移动，因而图像容易变得晦暗，这让他很失望。
星云之谜的最终破解是在80年之后。到了这个时候，望远镜已变得如此先进和巨大，是200年前的伽利略所无法想象的。破解这一奥秘的望远镜位于美国加利福尼亚州高高的威尔逊山山顶上，它揭示出当初由罗斯爵士所画的螺旋状星云实际上是独立于银河系之外的其他星系。这样一来，宇宙的范围就大大拓宽了，银河系不再是宇宙中唯一的星系。迄今我们已发现数千亿个星系，它们在一个大得我们无法想象的宇宙内旋转。
望远镜为我们认识宇宙打开了一扇全新的窗户。建造更大更先进望远镜的竞赛至今也未终止。如今我们不仅能制造巨型地面望远镜，而且能发射空间望远镜，从而能观测宇宙中最遥远的东西。可是，数十亿光年外那些碰撞的星系会告诉我们有关银河系的什么呢?在宇宙的边缘，大爆炸的余辉究竟会告诉我们有关我们宇宙起源的什么呢?每一次尝试探索宇宙的一个新的部分，天文学家都会有新的发现、新的惊奇。而望远镜迄今为止所揭示的最大一个惊奇就是：直到现在，我们只能看见宇宙的5％。换句话说，我们只能看见构成宇宙的物质中的很小一部分。问题接踵而来：剩下的宇宙是由什么构成的呢?
望远镜将指向一种令人难以捉摸而又强大无比的力量，这种正在决定我们宇宙的力量就是暗能量，它也被天文学家称为迄今为止所发现的最神秘物。望远镜正处在一个新的发现和探索时代的边缘，越来越大型、越来越复杂的望远镜永无止境地探寻太空的边缘。新一代望远镜将让我们看见一个点上的10000个星系，让我们回到更遥远的从前，让我们推测宇宙起源的情景。想知道这一切激动人心的新知吗?敬请关注本刊下期文章《寻找宇宙边缘(下篇)》。
八层楼高的巨型门滑开，一双巨大的“眼睛”将它的“目光”投向太空最深处——这就是大名鼎鼎的“大型双筒望远镜”。作为地球上最强大的望远镜之一，位于美国亚利桑那州的这架大型双筒望远镜价值超过1.2亿美元，它那直径超过8米的镜子能搜集到只有人眼可见光强度的百万分之一甚至千万分之一的光线。这架600吨重的机械望远镜的能见距离超过130亿光年，也就是我们所在宇宙的最边缘。
像大型双筒望远镜这样的超级望远镜能拍摄到天空中哪怕最黑暗角落的实时图像。从这些图像上我们可以看到。如巨浪翻滚的气体和尘埃云正在与超音速风搏斗，其搏斗场景被成千上万颗充满活力的新生恒星点亮。这些高达92万亿千米的巨型云团其实正是“恒星产房”，它们是恒星群诞生的地方。
突然，一颗恒星的爆发性死亡发出的超热气体以每秒上千千米的速度撕裂太空；与此同时，在遥远星系中，一个超大质量黑洞——宇宙中最神秘的物体之——正在发出不可见的能量射流。借助高科技的望远镜，无论是对恒星爆发产生的超热气体，还是对超大质量黑洞发出的能量射流，天文学家都能为其拍摄照片。
自第—架望远镜于17世纪诞生以来，短短几百年间望远镜已经改变了人类认识自己和认识自然的方式。随着一架比一架更先进的望远镜的问世，人类看得更远，知道的也更多。
认识太阳系
关键角色：伽利略
1609年夏天，意大利数学教授伽利略·加里雷正在完成自己的一项发明，那是一架被叫做“望远镜”的东西。在古希腊文中，这个名词的意思是“能看见远处的东西”。很快，他的新发明像野火燎原一样蔓延整个欧洲。
当时，在荷兰的一个小镇，眼镜制造者在制作精确的透镜时发现，假如把两类不同的透镜以相隔合适的距离放置，就能产生令人吃惊的光学效果——这两面透镜起着放大远处物体的作用。伽利略立即意识到了这一发现的潜在意义。他利用这个原理制作出了可见距离为人眼可见距离8倍的望远镜。很快，成尼斯军队买下这架望远镜，用来监视敌人的船队。接着，伽利略又将望远镜对准太空，从而开始了一场革命。在伽利略之前，所有天文学家都认为天宇就是他们裸眼能看见的一切——星星和月亮。他们用肉眼看到，天空中有5颗星有时比其他星星都亮，如果连续数夜观察，这5颗星在其他群星的背景上移动，并且这5颗星时而可见时而不可见。
他们称这5颗星为“行星”，这个名字在希腊文中是“流浪者”之意。其中，金星被称为晚星，它总是在日落时分掠过地平线；火星亮得有些发红；木星和土星比周围的星星都亮。我们现在已经知道这些“流浪”的星星实际上都是像地球一样的行星，但在伽利略时代，每个人都相信这5颗星只不过是一般的星星。宇宙中只有一个世界，那就是地球，地球是宇宙的中心，白天太阳围着地球转，月球和其他星星则在漫漫长夜里以巨大的勒轨道绕地球打转。
然而，伽利略向人们证明：这不过是错觉而已。当伽利略开始用望远镜观察月球时，人们已知的世界秩序也就开始被打破。在旧的宇宙学中，所有的天体都是完美无缺的，月球是一个天体，因而它在人们眼中也是完美的。但是，穿越40万千米的太空，伽利略所看到的月球远不如他所期望的那样平滑——月球表面实际上布满疮痍，到处是陨击坑和峡谷。
既然在月球上并不鲜见地球地貌，那么地球在宇宙中自然也就算不上独一无二了。这还只是一个开端。接下来，伽利略将望远镜瞄准了木星——“流浪的星星”之一。裸眼看去，木星是一颗明亮的星，确切说是一个光点。透过伽利略的望远镜看去，所有其他星星都只是光点，而木星突然变成了一个大得多的圆盘。尽管望远镜的镜头质量不佳，无法看清木星的真面目，但根据透过望远镜所看到的模糊不清且摇晃厉害的木星图像，伽利略做出了一个伟大的结论：木星一定是球形的另一个世界(也就是我们今天所说的另一颗行星)。
在木星周围，伽利略有了更惊人的发现。他透过望远镜看见，木星旁边还有两到四颗星，它们就像小鸭跟在木星这个“大鸭”的后面。夜复一夜，伽利略注意到这些新星的位置不断变动。在观察这些“小鸭”一两周之后，伽利略意识到它们其实是环绕木星的卫星(木卫)。伽利略知道自己获得了重大发现，并且把这些发现写在了他出版的《星之信使》一书中。
然而，更大的发现还在后面——伽利略的观察记录将永远改变人类的宇宙观。伽利略当时观察到，金星在一个月里不断地改变其形状和大小。具体而言，伽利略发现，金星每个星期都在改变，从一个大新月形变成一个小圆盘，接着阴影再次爬上金星，让它又回复到大新月形。伽利略认为，他在金星上看到的阴影只可能意味着一件事：金星在围绕太阳运行。这就是说，与当时人们的信仰—每个天体都围绕地球转不同，地球不再是宇宙的中心。
对于伽利略的这些发现，当时的罗马天主教会非常不满，因为教会向人们灌输的观点是：上帝把人类放在地球上，也就是放在了创世的正中心。以太阳为中心的宇宙挑战了教会的权威，教会对此当然不能容忍。然而，伽利略对太阳系的认识是完全正确的，他的发现永久性地改变了世界。
探索土星环
关键角色：“卡西尼号”
今天，望远镜以当年伽利略只能梦想的细节向我们展示了太阳系：太阳表面的爆发威力高达1000万亿吨梯恩梯；木星表面的大红斑实际上是一个超巨型风暴涡旋，它大得足以吞没三个地球；在木星的卫星伊娥(木卫一)表面，火山将气体和尘埃喷进太空；在火星上，有一个比地球上著名的大峡谷(位于美国西部亚利桑那州西北部的凯巴布高原上。全长446千米，平均谷深1600米)深6倍的峡谷，有一座比珠穆朗玛峰高3倍的火山；在金星大气汹涌起伏的硫酸云之下，山脉自金星的岩石表面崛起；在太阳系的边缘，由岩石和冰构成的矮行星正环绕太阳运行。
不过，有一颗行星一直充满谜团，就连最先进的望远镜也不能破解它的秘密，这就是土星和它的环系统。伽利略是首先看出土星与众不同的人，他观察到土星有两只奇异的“耳朵”，并推测它们是土星的卫星。后来的天文学家看出，这两只“耳朵”实际上是一条环绕土星的巨大扁平环。再后来，有一个人发现，这个大环其实是由多个同心环组成的。此人就是在意大利出生的法国天文学家乔凡尼·卡西尼。
现在，一项以卡西尼的名字命名的探测计划——美国宇航局的“卡西尼任务”正在实施中，其目的是查明为什么土星会有环，以及土星环是由什么构成的。在“卡西尼号”飞船前往伽利略时代太阳系中最远的卫星——土星的过程中，飞船 借助木星巨大的引力拉动使自己朝着目的地方向弹射出数百万千米。借助木星的引力，“卡西尼号”的速度高达每小时11万千米以上，即使这样。这艘飞船还是花了7年时间才抵达距离地球远达15亿千米的土星。接着，它下潜穿过土星的外环，进入环绕土星的轨道。
从“卡西尼号”拍摄的土星环照片上看，土星环好像是完整的固体，但实际上土星环是由数十亿块冰和岩石构成的，这些冰和岩石的大小从一粒沙到一幢房子都有，它们散落在宽达数十万千米的范围内。问题是，这些东西是从哪里来的呢?“卡西尼号”携带的望远镜的观测结果证实，土星环的内环是由陨星碰撞土星的卫星(土卫)，从土卫表面弹射出的材料构成的。不过，土星最外环的来源一直还是谜。
由“卡西尼号”拍摄的图像显示，土星最外环与最内环不同，是由微粒构成的，看上去就像是鬼魅的雾。天文学家怀疑冰质的土卫二——恩克拉多斯可能是这团雾的来源，但这中间的具体机制却无人知晓。不过，他们通过“卡西尼号”的望远镜看到了一个前所未见的现象：巨大的蒸气柱自恩克拉多斯表面的裂缝喷涌而出，高度达数百千米。这些蒸气柱会不会正是土星外环的来源呢?为找到答案， “卡西尼号”做了一件很了不起的事：直接飞到蒸气柱中，用它搭载的探测器“品尝”了蒸气柱的“味道”。在地球上的任务控制中心里，天文学家紧张地分析“卡西尼号”发回的数据。结果显示，恩克拉多斯喷出的蒸气是由冰、盐和氨组成的，同土星外环的成分完全一致。这就确凿地证明了恩克拉多斯喷出的蒸气柱正是土星外层雾环的来源。
这真是—个重大发现。“卡西尼号”搭载的空间望远镜正在破解困扰了天文学家几个世纪的土星环之谜。今天的望远镜正望向越来越深的太空，以发现伽利略或许从未想见的秘密。但是，为了捕捉到清晰的太空图像，望远镜不得不经过了深刻的变革才发展到今天的地步。
革新望远镜
关键角色：牛顿
这场变革的第一步是尽量增加望远镜的长度。让我们回到17世纪50年代。早期望远镜的一个主要问题是影像模糊，原因在于透镜的形状。当用一个强弯曲度的镜头来折射光线时，光线不能全部汇集到一个点，因而影像模糊；此外，一些光线的颜色可能出现分色——彩虹色，这也会扭曲图像。
尽量避免模糊与彩虹色的唯一方法就是使用更薄的透镜，透镜的弯曲度也应更小，但这样一来光线的聚焦点就远离了透镜，结果是折射望远镜的放大倍数越大则望远镜的长度也就越长。到了大约1660年，望远镜的放大倍数已增加到50—100倍，与此同时，望远镜的长度也达到了荒谬的程度：最长竟超过45米，也就是相当于一个橄榄球场的—半长度了。
如此笨重的望远镜的确效果更好，但天文学家希望看到更多的细节，而这些望远镜依然无法消除彩虹色。接着，最伟大的科学巨匠之一伊萨克·牛顿开始着手解决这个难题。他关注的是光线本身。牛顿发现，白光其实是由所有不同颜色的光组成的，这些颜色共同构成了彩虹色。当白光透过一面玻璃棱镜时它会折射分解成彩虹色，这就是天文学家碰到的透镜望远镜难题的根源。于是牛顿想到：好了，我们必须全盘抛弃折射望远镜，因为它已到穷途末路，我要设计出新型望远镜，它不能使用透镜。
牛顿在他的新型望远镜上使用的是镜子，他坚信镜子照样能达到并超过折射望远镜的效果，这是因为当镜面弯曲时一样能让光线聚焦。实际上，用这样的镜子聚焦阳光的确能点燃纸张。但镜子和透镜有一个本质的区别：光线从镜子表面反射，而不是穿越镜子，因而就避免了彩虹色。牛顿制作了一架小小的镜面望远镜，其长度不到20厘米。他将一面直径仅为3.8厘米的弯曲的镜子安装于望远镜镜筒的底端，来自天宇的光线进入镜筒，到达弯曲的镜面并反射，接着再到达一个不弯曲的镜面并反射，最终聚焦于目镜。这么一架小小的镜面望远镜，同长度超过120厘米的透镜望远镜效果一样好。
牛顿运用镜子制作望远镜，一举消除了彩虹色这个自伽利略时代以来一直困扰着望远镜的难题。今天，望远镜从分布于世界各地的天文台望向太空。不断扩展人类的宇宙视野，捕捉发射于几十亿年前并穿越我们所在宇宙的光线。所有这些望远镜都依赖于形状完美的大型镜子，而制造出这些镜子是精密工程学的丰功伟绩。
在美国亚利桑那大学的足球场的地面下深处，是一个高科技镜子实验室。在那里，玻璃块在巨大的熔炉中于1100℃以上的高温下被熔化，这一温度相当于火山熔岩的温度。接着，炽热的玻璃液被旋进超光滑的弯曲碟子中。20吨重的碟形冷却玻璃接下来被用直径不到人发丝的粉末进行打磨，以制作精确的形状。最终，覆上一层厚度仅为100纳米的极薄的铝膜，玻璃碟就变成了镜子。亚利桑那大型双筒望远镜的镜面就是这样制成的。其中每个镜面的直径超过8.5米，面积是牛顿制作的第一面镜子的64000倍，能够捕捉来自数十亿光年距离以外的光线。
回溯到牛顿时代，要想制造形状正好的大型镜子真是难上加难。在牛顿之后100年，一个新的先驱重拾起牛顿的革命性设计，并将它加以革新。这个人就是英国单簧管演奏家兼业余天文学家威廉·赫歇尔。虽然身为音乐家和作曲家，赫歇尔的真正兴趣却在天文学，他有一个雄心壮志，就是使用大型的牛顿式镜面望远镜望向更深的太空，要比所有前人都望得更远。
发现天王星
关键角色：赫歇尔
为了看见当时其他望远镜都看不见的最微弱的星星，赫歇尔需要更大的望远镜。然而，在赫歇尔时代，制作大型曲面镜仍是一大技术挑战。当时玻璃镜子尚未问世，镜子仍然使用金属来制作。赫歇尔在他的地窖里用熔化的锡和铜来铸造金属碟，这是制造金属反射镜的第一步。为了将冷却后的平面金属碟变成闪光的曲面，赫歇尔不厌其烦、不辞辛苦地纯手工打磨金属碟，直到其形状恰好能形成图像。这就是反射镜面，是镜面望远镜最宝贵的部件。
运用这样的望远镜，赫歇尔在200多年前取得了一个革命性的发现。1781年。赫歇尔透过自己制作的镜面望远镜夜复一夜地望向苍穹，在他身旁是他的妹妹卡洛琳，她记录他们观测到的所有结果，最终自己也成了著名天文学家。那一年的3月13日，赫歇尔透过望远镜看到一个他们此前从未记录过的天体——一颗看似在群星背景上移动的非常暗弱的星，这颗“流浪之星”就是天王星。
自有一整套环的天王星，大小是地球的63倍，但人用裸眼几乎看不见它，在赫歇尔之前无人记录过颗行星。天王星距离太阳30亿千米(这是土星与太阳之间距离的两倍)，也是当时所知最远的行星。可以说，一夜之间，赫歇尔就把太阳系扩大了一倍。这一发现激发了人们寻找行星的狂热潮流，也使全球望远镜越来越先进，这一趋势持续至今也不停歇。 在美国夏威夷的死火山莫纳克亚山巅，黄昏的太阳正在降下。凯克天文台的巨型圆顶开启，10米直径的望远镜望向太空。乔夫·马西是全球最顶尖的“行星猎人”之一，他正运用凯克望远镜寻找太阳系中除地球之外的行星。仰望夜空，你会看见成千上万个闪烁的光点，它们是像太阳一样的恒星，像马西一样的“行星猎人”相信，其中许多恒星都可能像太阳一样拥有自己的行星。
然而，要想寻找太阳系以外的行星就像大海捞针一样难。寻星望远镜直到1995年才在这方面有了突破：它们观察到一颗很平常的恒星正在轻微晃动，这意味着某种引力正在拉动恒星，而这正是一颗不可见的行星存在的证据。环绕这颗恒星的行星就是飞马座51b星。这颗太阳系外的行星的发现，在人类历史上真是一个重大事件，因为它向我们首次证明太阳系之外照样存在行星，其中说不定还有像地球一样的生命之星。
从那以来，全球天文学家已经发现了超过400颗太阳系以外的行星存在的证据。不过，其中大多是像木星那样的气态巨行星，它们在过于靠近母恒星的轨道上运行，因而不可能支持生命。而找到另一颗支持生命的行星，才是“行星猎人”的真正目标。生命之星必须温度适宜，有液态水或其他液态物质，还必须满足其他一些基本条件。而要有像人一样的智慧生命，则条件更为苛刻。
寻找像地球这样个头较小的岩石行星绝非易事。现在让我们来看美国宇航局的一类全新的空间望远镜——“开普勒号”。发射“开普勒号”的目的，正是为了寻找在某些方面同地球相似的行星一类地行星。具体而言，在“开普勒号”的3年任务期里，它要寻找和地球一般大小、环绕其他恒星运行的行星。“开普勒号”计划搜集来自银河系中10万颗恒星的光线，在其中查找其他行星世界的线索。
测量星光的一个重要思路，就是当行星从正面经过其母恒星时，会遮挡恒星的很小一部分光线，因此恒星会略微变暗一点。也就是说，只要观测到这种变化，就可间接证明行星的存在。运用这一思路，“开普勒号”已经发现了多颗太阳系之外的行星。虽然它至今未找到一颗类地行星。但天文学家相信这只是时间问题，也许再过几年就会找到另一个像地球一样的生命家园。
尽管“开普勒号”要观望多达10万颗星，但那仍只是天空的微小一隅，仍有数千亿颗恒星等待我们去搜寻。“行星猎人”们还有别的办法，就是利用地面望远镜来研究距离我们最近的那些恒星。运用小型机器人望远镜，一次可以扫描2000颗亮度远比太阳小的恒星，也更易于观测从正面经过母恒星的较小个头的行星。通过这种办法，天文学家发现了一颗大小只有地球2.7倍的行星。这是一颗“超级地球”，它很可能拥有水和大气层，但表面200℃的温度还是太高，因而不能支持生命存在。不过，它向我们发出了一个信号：太阳系以外应该还有更诱人的行星存在。
为了发现可居住的行星，专业天文学家还借力于业余天文学家。全球各地都有业余天文学家，他们所拥有的望远镜也能进行天文调查。专业天文学家不可能花太多时间夜复一夜地凝视同一颗恒星，但业余天文学家却像当年赫歇尔发现天王星那样能做到这一点。运用这种办法，业余天文学家迄今已发现了多颗太阳系外的行星。遗憾的是它们都太靠近自己的母恒星，因而无法支持生命存在。不过，同所有已知的太阳系外的行星一样，它们都在我们所在的星系——银河系内环绕各自的母恒星运行。
认识星云
关键角色：赫歇尔
今天我们已经知道，银河系中有很多很多的恒星，太阳只不过是其中的一颗而已。而短短200年前，人们还根本不知道自己生活在一个星系中。直到1781年，威廉·赫歇尔建造了一架长6米多的反射式望远镜(镜面望远镜)，运用它，他看到了比当时地球上任何其他望远镜看到的数目都多的星星。他对夜空中的一部分观察得尤其仔细，这个由群星组成的条状地带就是我们今天所称的银河系。
在能见度高的夜晚，银河系简直就是一大景观，是我们头顶上一条明亮的星光带。对古人来说，它就像牛奶泼在了天幕上，这是古希腊人称之为“牛奶圈”的原因所在，也是今天的“银河系”(“银白或乳白色的星系”)一词的来源。天文学家们至今对银河系十分着迷。从地平线到地平线，银河系跨越天空，仿佛一条巨大的带子环绕着我们。于是，从地球上看去，我们就像是坐在轮毂上，而银河系就是环绕着我们的一个巨大轮胎。
伽利略是第一个透过望远镜发现银河系由群星组成的人，但当时无人知道它是一个星系，甚至也不知道它的形状。而这正是赫歇尔当年最着迷的一点：“银河系究竟是什么形状?我们应该是置身于银河系中央吧?从它外面看它是什么样子呢?”他不知疲倦地夜夜望天，为群星的位置画图。就这样，对于他能看见的那个划破天空的大圆圈内的所有星星，他都画出了它们的位置，还数出了它们的数量，从而开创了天文学中的星星计数法。
这项精准的绘图和计数调查花了赫歇尔一年多的时间。最终，他根据他的观测结果绘制了一张“磨石”图。在人类历史上，赫歇尔率先看出银河系并不仅仅是天空中的一条星带，而且还是很大很大的一块星盘。赫歇尔相信，这便是整个宇宙了。也就是说，这个星盘的边缘也就是宇宙的边缘，太阳系就躺在星盘内部。令人惊讶的是，赫歇尔在200多年前的认识竟然有大部分是正确的。现在，最强大的地面和太空望远镜已经揭示，地球和整个太阳系位于银河郊区的一条旋臂上，而整个巨型银盘中竟有2000亿颗恒星。
银河系实在是太大了，哪怕以光速(每秒30万千米)从银河系一端跑到另一端也要花10万年时间。为了更深入地了解银河系，科学家设计了一架新型望远镜，计划最广泛、最深入地观察银河系，它就是“赫歇尔太空天文台”(简称“赫歇尔”)。“赫歇尔”要为整个银河系绘制地图，包括恒星的形成与死亡，以及星系是怎样成为一体的。
经过多年细心准备，调制好的“赫歇尔”终于发射升空。在离地160万千米的太空，这架迄今最大的太空望远镜在人眼无法看见的可见光波段以外的远红外光波段观测太空，这意味着它能测量温度的细微改变，从而看穿宇宙尘埃云，以空前的清晰度拍摄宇宙的图像。
“赫歇尔”果然不负众望，从它传回的图像十分惊人。通过它，天文学家一直看到了恒星的诞生地。如果用可见光观察恒星诞生地，你会看见，那里到处都是恒星；而用红外光观测，你会发现银河系的绝大部分其实是由尘埃和气体构成的，而恒星正是从尘埃和气体中孕育的。
没有其他任何望远镜能看清银河系的如此多的细节。200多年前，赫歇尔根本无法看见银河系一些区域中的群星。虽然他在夜空中看到的星星比当时其他任何人看到的都多，而且他还通过望远镜观测为星星们画出了地图，但仍有一个未解之谜困惑着他：夜空中有成千上 万个奇奇怪怪的东西，也就是被天文学家称之为“星云”的东西。
夜空中有一些模糊的块状地带，它们看上去就像是被撕裂的银河碎片。你甚至用肉眼也能看见几个这样的“碎片”，例如仙女座。但透过望远镜，你能看见上万个这样的块状地带，它们形状大小各异，美丽而又神秘，如仙女座，它从边缘到中心越来越亮。赫歇尔记录了超过2300个星云，并且对它们进行了分类，但他无法看出这些神秘物体究竟是什么，也不知道它们具体是在哪里。
在赫歇尔之后，星云之谜又继续困扰了天文学家60年，直到古怪的罗斯爵士在爱尔兰的比尔堡制造了当时世界上最大的望远镜。六层楼高的墙支撑着罗斯爵士的20米长的望远镜镜筒，镜面直径竟相当于一个成年人的身高。他将望远镜对准星云，绘出自己看见的一切。这样一来，模糊的星云被首次聚焦。在一些星云内部，罗斯爵士看见了恒星和旋臂结构。但有一个问题，罗斯爵士的望远镜只能上下移动，因而图像容易变得晦暗，这让他很失望。
星云之谜的最终破解是在80年之后。到了这个时候，望远镜已变得如此先进和巨大，是200年前的伽利略所无法想象的。破解这一奥秘的望远镜位于美国加利福尼亚州高高的威尔逊山山顶上，它揭示出当初由罗斯爵士所画的螺旋状星云实际上是独立于银河系之外的其他星系。这样一来，宇宙的范围就大大拓宽了，银河系不再是宇宙中唯一的星系。迄今我们已发现数千亿个星系，它们在一个大得我们无法想象的宇宙内旋转。
望远镜为我们认识宇宙打开了一扇全新的窗户。建造更大更先进望远镜的竞赛至今也未终止。如今我们不仅能制造巨型地面望远镜，而且能发射空间望远镜，从而能观测宇宙中最遥远的东西。可是，数十亿光年外那些碰撞的星系会告诉我们有关银河系的什么呢?在宇宙的边缘，大爆炸的余辉究竟会告诉我们有关我们宇宙起源的什么呢?每一次尝试探索宇宙的一个新的部分，天文学家都会有新的发现、新的惊奇。而望远镜迄今为止所揭示的最大一个惊奇就是：直到现在，我们只能看见宇宙的5％。换句话说，我们只能看见构成宇宙的物质中的很小一部分。问题接踵而来：剩下的宇宙是由什么构成的呢?
望远镜将指向一种令人难以捉摸而又强大无比的力量，这种正在决定我们宇宙的力量就是暗能量，它也被天文学家称为迄今为止所发现的最神秘物。望远镜正处在一个新的发现和探索时代的边缘，越来越大型、越来越复杂的望远镜永无止境地探寻太空的边缘。新一代望远镜将让我们看见一个点上的10000个星系，让我们回到更遥远的从前，让我们推测宇宙起源的情景。想知道这一切激动人心的新知吗?敬请关注本刊下期文章《寻找宇宙边缘(下篇)》。