7月20日，英国《新科学家》杂志网站报道，美国和丹麦研究人员利用詹姆斯·韦伯空间望远镜提供的数据，发现了可能是迄今已知最古老的星系——GLASS-z13。
现有数据表明，该星系距离地球约135亿光年，诞生于宇宙大爆炸后3亿年。不过研究人员表示，这一结果仍需进一步观测予以证实。
此前，已知最古老的星系纪录由GN-z11星系保持，距地约134亿光年，由哈勃空间望远镜观测到。
自1609年伽利略仰望星空，到2016年“中国天眼”FAST建成，再到2021年“鸽王”韦伯望远镜顺利升空，人类对宇宙的探索已经走过了400多年旅程，期间有振奋，有遗憾，库叔带你一起回顾。
1608年，荷兰眼镜商汉斯·利普赫（Hans Lipperhey）发明了望远镜。次年，伽利略·伽利雷（Galileo Galilei）用风琴管做镜筒，两端分别嵌入一片凸透镜和凹透镜，一架放大率为3倍的望远镜诞生。年底，他又把放大倍数提高到了32倍，用来观察太空。
在此后的400多年中，无数科学巨人献身其中，望远镜的观测能力得到突飞猛进的发展。
伽利略制作的是折射式望远镜。通过它们，他发现了月球表面的高低不平，发现了土星光环，发现了太阳黑子等天体现象，开辟了依靠观测和实验了解天象、解释天体运动的新时代，也为“日心说”最终取代“地心说”奠定了基础。
不过，折射式望远镜存在色散（会让物体模糊）和相差（会让物体变形）的缺点。
1668年，牛顿制成了第一架反射式望远镜，解决了色散问题，从此折射式望远镜和反射式望远镜开始平行发展。英国天文学家威廉·赫歇尔（Wilhelm Herschel）就制造过400多架反射式望远镜，在1781年发现了天王星，并成为第一个确定银河系形状、大小和星数的人。
1895年，美国的克拉克父子制造出了口径为102厘米的叶凯士望远镜。由于玻璃透镜越大越难制作，且重量巨大、中央部分易变形，影响观测质量，叶凯士望远镜并没有使人类对宇宙有更新的认识，显示了折射式望远镜的发展尽头，但它至今仍是世上现存最大的折射式望远镜。
【注：2022年6月12日，西藏天文馆奠基开工仪式在举行，建成后将是世界海拔最高的天文馆，届时其搭载的一米级光学天文望远镜，将变成全球上口径最大的折射式望远镜。】
1930年，德国光学家施密特（Schmidt B.V.）将折射式望远镜和反射式望远镜的优点结合起来，制成了第一台折反射式望远镜。此后，该类型的望远镜被称为“施密特望远镜”。凭借反射式望远镜的高清晰度以及折射式望远镜的大视场，施密特望远镜成为“巡天警察”——用来做巡天工作，发现目标后，再用其他望远镜做深入观测。
在此期间，由于工业技术发展，玻璃材料镀银或镀铝而成的反射镜，可避开金属镜生锈问题以及反射率不高的缺陷，反射式望远镜再一次迎来发展高潮。1948年，5.08米口径的海耳望远镜在美国帕罗玛山天文台（Palomar Observatory）建成，标志着天文望远镜的发展达到了前所未有的高峰。其世界上最大的反射式望远镜之地位，直到1993年凯克望远镜（位于夏威夷岛，口径达10米）建成，才被超越。
【注：1976年，苏联曾建成口径达6米的BAT-6反射式望远镜，但其运行存在缺陷。】
以上回顾的，还只是光学望远镜，即通过玻璃镜片收集“光”来观测太空，且针对的大部分是可见光。
1931年，美国新泽西州贝尔实验室的央斯基（K.G.Jansky）搜索长距离无线米的波长上意外发现有一种每隔23小时56分04秒就出现最大值的无线电干扰。
经过一年多的测量和分析，央斯基在1932年发表的文章中断言：这是来自银河中心方向的射电辐射。射电波研究天体的新纪元开启了。
射电望远镜不使用光学望远镜的玻璃镜片，而是使用巨大的天线捕捉看不见、摸不着的无线电波，通过一系列分析接收到的射电辐射信息，全面揭示各类天体的位置、图像、运动及其随时变化的状况。央斯基当时使用的长30.5米、高3.66米的旋转天线阵，可看做射电望远镜的雏形。
1937年，美国天文学家雷伯（G.Reber）制造出了世界上第一架抛物面天线式的射电望远镜。二战期间雷达技术的发展，促使战后雷达改装射电望远镜的浪潮兴起。
2022年7月21日，贵州黔南州境内的“中国天眼” 500米口径球面射电望远镜（维护保养期间拍摄，无人机照片）。图｜新华社
此后，射电望远镜向着更大更强发展，口径不断变大，从1957年抛物面天线米的英国曼洛弗尔射电望远镜，到1963年球面直径达305米的美国阿雷西博射电望远镜，再到2016年球面口径达500米的中国FAST，一次次刷新科技和建筑奇迹。
【注：阿雷西博射电望远镜曾经是世界上最大的单面口径射电望远镜，直到2016年被中国的FAST取代，退居第二。2020年12月1日，因年久失修等原因，阿雷西博射电望远镜发生坍塌，库叔曾发文《美国的塌了，中国的可还行？》介绍。】
当然，射电望远镜也做出巨大贡献，仅20世纪60年代，就直接带来了类星体、脉冲星、星际分子和宇宙微波背景辐射四大里程碑式天文发现，由此获得了五项诺贝尔物理学奖。
当大型单口径射电望远镜发展到某些特定的程度后，新型观测技术再次诞生。综合孔径、射电干涉仪，甚长基线干涉仪等新型射电干涉技术，让科研工作者能更有效地从噪音中提取有用的信号、扩大观测覆盖范围、方便成像。
比如，美国甚大阵综合孔径射电望远镜、荷兰威斯特博尔克综合孔径望远镜、澳大利亚望远镜致密阵。这些望远镜可利用干涉原理，用几架望远镜达成一架口径为几架望远镜基线距离长的望远镜的观测性能。
位于美国新墨西哥州沙漠中的甚大阵综合孔径射电望远镜，由27面口径为25米的射电天线组成，是世界上最大的综合孔径射电望远镜，能够观测到160公里以外、一个发射无线电信号的高尔夫球大小的物体。
而多天线射电干涉仪和甚长基线干涉仪的目标更为宏大，可使望远镜的口径达到地球的尺度。
有了光学望远镜、射电望远镜这些地面望远镜，人类为何还要向太空发射望远镜？
因为有大气层存在，地球温暖舒适宜居，各种生物可免遭流星体以及地外辐射袭击。不过，对于天文观测来说，大气层却成了阻碍。
其中，地面观测受影响最大的是大气的消光作用。因大气的吸收和散射作用，天体的辐射在穿越大气层后，强度会被降低。大气消光量与辐射波长有关，对短波辐射的消光作用比对长波辐射的大，被称为选择消光。
由于大气消光，只有某些波段的辐射才能穿透，或部分穿透大气层到达地面，最终被望远镜捕获，这些波段所处的范围称为大气窗口。
300至700纳米的可见光波段是光学窗口，光学望远镜可通过这一个窗口观测到色彩各异的天体。
红外窗口的情况较复杂，大气对于17至22微米是半透明窗口，而22微米至1毫米之间则完全不透明，不过在高山上可找到后者的一些红外窗口。
对10兆赫至300京赫的射电波，地球大气是透明或部分透明的，这就是射电窗口。所以说，射电望远镜的发明，弥补了此前光学望远镜的观测范围。
而有些波段辐射在到达地面之前会被大气全部吸收掉，地面根本观测不到，比如紫外、X射线和伽马射线这些短波段辐射。
此外，大气还会产生模糊效应，使得再好的大型望远镜的分辨率也难以接近光学上的衍射极限。如果把同样的大型望远镜放到处于真空环境的太空，分辨率可提高10倍。
为了摆脱大气层对天文观测的影响，人类一方面设法选择海拔高、观测条件好的地方建立天文台，另一方面开始畅想把天文望远镜送上太空。
1923年，德国科学家赫尔曼·奥伯斯（Hermann Oberth）发表了一篇文章，其中提到可以用火箭将望远镜送入太空，这是人类最早提出把天文望远镜带出地球的构想。
1946年，美国天体物理学家莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer）发表论文《在地球之外的天文观测优势》，介绍了太空望远镜的科学价值。在斯皮策的不断努力下，1969年，大型太空望远镜项目被美国国家科学院批准，人类真正开始了实施太空望远镜计划。
不过，研制大型太空望远镜所需要的人力物力，远非一国可以包揽。1975年，欧洲空间局带着资金和技术加入进来。1977年，美国国会最终批准了对太空望远镜项目的资助。
20世纪80年代，美国国家航空航天局（NASA）着手制定了一系列空间天文项目，其中包含“大天文台”计划。该计划共计发射4台在不同波段工作的大型太空望远镜，并分别以4位美国科学家哈勃、康普顿、钱德拉、斯皮策的名字命名，以纪念他们的卓越贡献。
1990年4月，哈勃空间望远镜被“发现号”航天飞机成功送入太空，卫星重约11.5吨，望远镜口径2.4米，造价21亿美元。
在30多年的工作中，哈勃望远镜经历了5次宇航员的维修工作，一直更新尖端科学仪器，获得大量极具价值的发现。比如，观测到100多亿光年远的星系，证实星系中央存在超大质量黑洞，拍摄到星系并合图像，发现比太阳亮1000万倍的恒星等，大大增进了人类对宇宙大小和年龄的认识，发现了暗物质。
2021年6月13日，哈勃望远镜因其有效载荷计算机发生故障而停止运行，直到7月17日才全面恢复运行。
1991年4月，重约16吨、造价7.6亿美元的康普顿伽马射线太空望远镜被送入绕地轨道，该望远镜把对天体伽马射线倍，主要任务是进行伽马射线波段上的首次巡天观测。在轨9年，它让人类首次了解黑洞如何引发X射线和伽马射线的喷发，观测到银河系中心出现的反物质粒子云，等等。
但是在1999年底，康普顿伽马射线太空望远镜上的一个姿控定位陀螺仪出现故障，且无法及时修复。为防止失控后的卫星落入人口稠密区，NASA于2000年9月4日对其实施人工坠毁。
1999年7月，钱德拉X射线太空望远镜进入太空，耗资15亿美元。它以更高的精度和灵敏度绘制了全天X射线源图，并在各类天体的X射线观测上取得了前所未有的重要成果。
2003年8月，4台大型太空望远镜的最后一台——斯皮策太空望远镜成功发射，造价8亿美元。它采用日心轨道，可在极低温的条件下工作，彻底避开了来自地球的红外辐射之干扰，有利于对极年轻天体的探测。此后，它相继观测到宇宙大爆炸之后1亿年就已形成的第一代恒星，捕捉到太阳系外行星的首幅图像，拍摄到超新星遗迹和银河系中心区的密集星场，等等。2020年1月30日，斯皮策太空望远镜退役。
这4台大型太空望远镜被称为“四大天王”，前所未有地拓展了人类视野，推动了多波段天文学的发展。
詹姆斯·韦伯空间望远镜项目启动于1996年，起初称为“下一代空间望远镜（Next Generation Space Telescope，NGST）”，2002年改为现名JWST，以纪念美国国家航空航天局的第二任局长詹姆斯·韦伯（James Webb）在阿波罗计划中发挥的关键性领导作用。
韦伯望远镜吸收了哈勃空间望远镜和斯皮策太空望远镜的优点，项目初期其预算只有5亿美元，计划于2007年发射升空。但在2005年，设计的具体方案有了较大调整，发射时间也被迫延后。此后，韦伯望远镜的发射时间一而再、再而三地延期，从2014年改为2018年，然后又变成2019年，后来又延期到2020年，这也是它被戏称为“鸽王”的原因。
终于，在北京时间2021年12月25日20时20分，这台由NASA、ESA（欧洲航天局）和CSA（加拿大航天局）共同研发，经由数千名科学家与工程师精心设计与建造的大型天文望远镜，在法属圭亚那库鲁航天发射中心使用阿里安-5大型运载火箭发射升空，一个月后顺利进入围绕日地系统第二拉格朗日点的运行轨道。
回顾25年的建造历程，韦伯望远镜总造价为100亿美元，是人类有史以来建造的最昂贵科学平台之一，也是迄今为止最大、最复杂、功能最强劲的太空望远镜。
作为一台光学望远镜，韦伯望远镜的主镜是一面直径6.5米、由18片巨大六边形镜片构成的镀金铍质反射镜，总面积达到25.4平方米，是哈勃望远镜的6倍以上。这也是它的最主要部件。
与主镜面配合的是一个巨大的遮阳板，由十分复杂的复合材料制成，看上去就像是银色的塑料薄膜，厚度只有人类头发直径，却有着非常高的强度。遮阳板一共有5层，将其完全展开有一个网球场那么大，能把来自太阳的热量减少到原来的百万分之一，可保证韦伯望远镜始终都处在低温度的环境中。
由于韦伯望远镜的镜面直径已超越火箭的最大直径，在发射时，它的18块六角形的小镜片和遮阳板都进行了折叠，进入太空轨道时，再按照指令一一展开。
除此之外，韦伯望远镜还需携带其他多种多样的制冷设备，以防止自身产生的热辐射，从而保障照相机能在低温下工作。正常的情况下，镜面温度要保持在零下220摄氏度左右。
相较于哈勃，韦伯望远镜有更长的波长覆盖，灵敏度和分辨率也大幅度的提升，更擅长观测红外线，能够补充和扩展哈勃望远镜的发现。不过，与哈勃不同的是，由于距离地球约150万千米，韦伯望远镜没机会再进行维修。
在韦伯望远镜升空前的2020年底，就已经有44个国家的科学家提交了1000多份申请，占据了韦伯望远镜一年工作量的三分之二。不过，这些申请要经过严格的审核才能获批。
当地时间2022年7月11日，NASA提前公布了韦伯望远镜拍摄的首张全彩色照片。
韦伯的第一个深场是星系团 SMACS 0723，它充满了数千个星系——包括在红外线中观察到的最微弱的物体。图源：NASA
在这张全彩色照片中，包含了有史以来人们在红外波段观察到的最暗天体，以及成千上万的星系团。其中的主角是天文编号SMACS 0723的星系团，距离地球46亿光年。这个星系团的总质量就像一个引力透镜，放大了它后面远得多的星系，而这张照片捕捉到的最早星光，距离宇宙大爆炸发生仅仅过去5亿年。
目前，人类所知的宇宙历史约为138亿年，这在某种程度上预示着，韦伯望远镜的第一张照片，几乎捕捉到了来自宇宙起点的光线。
韦伯望远镜的运行时间至少为10年，肩负研究宇宙大爆炸之后第一代恒星、星系的形成与演化、恒星与行星系统的形成以及系外行星等多项任务。相信在未来，它还会带给我们更大惊喜。
根据规划，我国将在2023年发射与空间站共轨伴飞的“巡天”号光学舱。它被誉为中国版的哈勃空间望远镜。据有关报道，“巡天”号光学舱安装有口径达2米的光学望远镜，分辨率与哈勃相当，大约0.15角秒，但视场是哈勃的300多倍，这在某种程度上预示着它的巡天效率更加高。不过，其探测的波段主要为可见光。
中国科学院国家天文台研究员戴昱表示，中国天文望远镜的探测范围大多分布在在光学、射电和X射线三个波段，目前还没有建造红外太空望远镜的计划。在红外天文方向，中国在仪器研发的人才储备、红外探测器的精度等方面与国外还有着不小差距。
已故的中国天文学家、FAST负责人南仁东曾说，“人类之所以脱颖而出，从低等的生命演化成现在这样，出现了文明，就是他有一种对未知探索的精神。”
人类对太空的不舍探索，推动了望远镜技术的慢慢的提升，而望远镜的发展进一步拓宽人类的视野，永不止步。
1.“回到起点”？NASA公布詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的首张全彩色照片微信公众号“CGTN”.2022-7-12
2.望远镜和天文学：400年的回顾与展望苏定强.物理.2008,(12)
3.从仰望星空到走向太空——纪念伽利略用天文望远镜进行天文观测400年.天文学进展.2010,(01)
5.哈勃空间望远镜的“接班人”——詹姆斯·韦伯太空望远镜金秋.科学启蒙.2021,(08)
6.宇宙的尽头是怎样的？价值100亿美元的太空望远镜，拍下这些绝美照片每日经济新闻.2022-07-13
7.天文望远镜400年发展中对于光学知识的应用和拓展宁长春，索郎桑姆.大学物理.2013,32(10)
9.韦伯太空望远镜“首秀”，“看到”宇宙形成初期的光彭丹妮.微信公众号”中国新闻周刊”.2022-07-16
原标题：《观星400余年，人类终于“看到”宇宙深处……》返回搜狐，查看更加多
