為什麼說儀器發展是天文學發展的驅動力？

天文學是最古老的自然科學學科之一。

早在科學儀器介入之前，人類就已經利用裸眼，通過觀察日月星辰來辨別方位、建立曆法。直到公元17世紀，光學望遠鏡和微積分進入天文學之前，人類在幾千年中的天文學實踐都可以概括為基於裸眼的天體測量學。

隨後，天文學家一方面通過望遠鏡極大地提高了先前受限於裸眼能力的觀測精度和探測靈敏度，另一方面又藉助微積分這個數學工具，從觀測資料中分析出天體運動的規律，天體力學就這樣誕生了。

它既是時空基準的基石之一，服務於導航等應用領域；同時也可作為引力場的探針，在基礎研究中大顯身手。

到了19世紀，光學的進展再一次拓展了人類的視野。

圖 約瑟夫·馮·夫琅禾費

集科學家與工程師於一身的約瑟夫·馮·夫琅禾費發明了分光計光譜儀，並用它從太陽光中找到了574條黑線。人類用裸眼，藉助自然界的分光計（例如彩虹）只能看到低解析度的太陽光譜，而藉助現代光學儀器，人類能看到的太陽光譜變得更為精細，因此才能找到裡面隱藏的吸收線，也就是夫琅禾費線。

古斯塔夫·基爾霍夫

羅伯特·本生

接下來，德國物理學家古斯塔夫·基爾霍夫和化學家羅伯特·本生證明，太陽光譜中的吸收線均對應著地球上已知氣體的發射線。這也就意味著，儘管看上去如此不同，構成太陽的物質竟然也都存在於地球上。

從此，天文學家開始嘗試用地球上總結出來的物理規律來理解天文現象，物理學家也將遙遠的天體視作為極端條件實驗室（儘管只許看、不許摸）檢驗、發現物理規律。如此，天文學的年輕分支——天體物理學的序幕終於被拉開了。

通過上述簡要的回顧，我們不難發現，儀器的發展驅動著天文學的發展，而儀器的發展方向，無疑是不斷提升觀測能力。

天文觀測難在哪裡

天文觀測中，一個基本特徵是目標都太遠了，而且不受控。

正因如此，千百年來，人們習慣將天體作為時空參照物，這是好處；同時，這也是困難。

譬如，目標太暗了，我想看清楚些，怎麼辦？湊近點？不行，人類的活動範圍比起同觀察目標之間的距離來，根本不在一個數量級。

旅行者一號是迄今為止跑得最遠的探測器，它於1977年出發，現在距離地球大約140個天文單位（地球到太陽之間的距離，約為1.5億公里）。這個距離聽起來很遠，但距離太陽最近的恆星，也就是比鄰星，距離我們有4.2光年（1光年大約是63000天文單位），是旅行者一號耗時40年旅程的1900倍。

旅行者1號，第一個提供了木星、土星以及其衛星詳細照片的探測器，距今離地球最遠的人造衛星。

數字太多，單位太大，咱們縮放對比一下。

如果把天安門當作銀河系的中心，1光年縮小為1米。那麼太陽系大體上相當於距離天安門20多公里的一塊區域，這塊區域不大，半徑或許有1厘米，旅行者一號目前距離這塊區域的中心只有2毫米，比鄰星離太陽4.2米——確實大約就是隔壁鄰居的距離。

再比如，我想觀察的目標離附近的目標太近了，兩個目標在視野中模模糊糊湊到一起，怎麼辦？把兩個目標分開？可惜它們並不受控。

所以，打鐵還需自身硬，天文觀測中，面對目標暗弱、多個目標無法分辨等諸多問題，還是要強調天文儀器的自我修養。

在進一步展開之前，我們先來解釋幾個統計方面的概念。

假設有一座小鎮，鎮里有個游泳館，冬天去游泳的人很少，夏天去游泳的人很多。

根據長年累月地觀察、記錄，我們得知，游泳館7月份平均每天能賣出100張門票，多的時候130張，少時也有70張。同時，有個游泳愛好者團體正在附近旅行。

那麼，我們是否可以根據這座小鎮當天游泳的人數，來推測這個團體是否旅行到了這座小鎮呢？

如果這個團體去游泳的人數相對小鎮游泳館平均門票售出數量來說很多，那麼就是可行的，反之則很困難。

例如，已知這個團體平均每天50人去游泳，最多60人，最少也有40人，那麼，假如當天小鎮游泳館賣出超過130張票，超過了平時銷量，則愛好者們很可能已經到了小鎮；假如當天小鎮賣出不到110張票，則愛好者們很可能沒有來。

如果團體平均每天只有5個人游泳，相對小鎮游泳館平均門票售出數量來說很少，用同樣的方法來判斷愛好者們是否到達了小鎮，就要困難得多了。

在統計上，我們把小鎮平時游泳館門票銷量稱為本底，這個人數也不是不變的，而是在平均數上下漲落。

漲落的原因有很多，舉最常見的兩個原因：第一，去游泳的人數本身就帶有隨機性；第二，門票數量與實際游泳人數有偏差（比如有人逃票）。門票因各種原因偏離期望值的數量，稱為本底漲落。游泳愛好者團體購買的門票數量，稱為信號。信號相對本底漲落的大小，可以用來衡量信號的顯著性。

所需望遠鏡的性能

一般來說，儀器最重要的性能指標之一就是探測靈敏度。所謂探測靈敏度，就是能夠顯著地探測到的最小目標強度。套用上面的小鎮游泳館模型，就是能夠通過游泳館門票銷量證實來小鎮旅遊的團隊人數。

有什麼辦法可以提高探測靈敏度呢？

無非是在團隊人數不變的情況下，要麼增大信號，要麼減小本底漲落。

比如，假如游泳館規模小，不足以容納團隊所有成員，因此團隊里總有大量成員想游泳而買不到票，那麼可以增大游泳館的規模。

再比如，假設一般居民天氣涼的時候不游泳，而愛好者不受天氣影響，那麼就可以利用天氣涼的日子來「探測」。

光學望遠鏡的口徑越大，曝光時間內收集的目標光就一定越多。常見的半導體探測器，如CCD、CMOS（這也是數碼相機的核心部分）等本底漲落（也叫「雜訊」，即數碼相機在高感光模式下常見的噪點）中也有一部分隨溫度變化，這部分叫做暗電流。溫度越低，雜訊越低，所以常見的探測器一般都需要製冷來降低雜訊。

除了靈敏度之外，成像儀器的典型指標有空間解析度、視場大小，計時儀器有時間解析度，光譜儀器有光譜範圍、光譜解析度等等。上述指標除了受儀器本身的特有設計影響之外，同時還都以探測靈敏度為基礎。

例如，在前面的小鎮游泳館模型里，如果我們不僅要確定愛好者們哪一天來了小鎮，還想知道他們到小鎮之後在什麼時間游泳，這就需要分時段來統計游泳館門票銷量。這顯然提出了更高的要求（比如需要添置鐘錶，以及需要更大的游泳館，或者提高清場頻率）。

籠統地說，天文望遠鏡負責收集遙遠天體發出的光，望遠鏡配備的各種探測器則負責接收望遠鏡收集到的光。計時儀器甚至可以記錄單個光子（光線中攜帶能量的基本單元）到達探測器的具體時刻，或者電磁波不同時刻的強度。

圖像探測器一般是單元探測器在空間排列成的陣列，可以記錄不同位置收集到的光子數量；光譜儀記錄的則是望遠鏡收集到的光子中，不同波長的光子分別有多少。

望遠鏡越來越大，各種探測器的精度越來越高，探測的範圍也越來越全面。人的眼睛本來只對波長在380納米到780納米之間的電磁波敏感，然而，當今我們除了擁有從射電、紅外、可見光到紫外、X射線和伽馬射線波段的望遠鏡、探測器之外，還可以探測電磁波以外的「信使」，例如，中微子及各種高能宇宙射線，乃至引力波。

於2017年6月15日發射升空的硬X射線調製望遠鏡「慧眼」探測的就是不同能量的X射線以及能量更高的軟伽馬射線（軟和硬形象的表示光子能量大小，光子能量越大，則波長越短、頻率越高，也就越硬，需要注意的是，硬X射線的能量要小於軟伽馬射線）。

硬X射線調製望遠鏡「慧眼」

望遠鏡不僅越來越大，身處的環境也越來越多樣。

有的要上天，有的要入地，有的要建在涼爽的地區，有的需要放在乾燥的沙漠，有的需要和「朋友圈」遙相呼應。仍以硬X射線調製望遠鏡為例，它之所以要進入太空，就是因為這雙「慧眼」想窺探的X射線會被地球的大氣層吸收、散射。

事實上，X射線天文學的開端和發展，就是以高空氣球、探空火箭、人造衛星等空間或准空間飛行器為載體的。

（文章首發於科學大院，轉載請聯繫[email protected]）

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