你是否曾被哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的壯麗宇宙圖像所震撼？那些絢麗的星云、遙遠(yuǎn)的星系，向我們展示了宇宙最瑰麗的一面。但細(xì)心的觀察者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象：許多太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片都有一個(gè)明顯的黑色缺口，就像被整齊切掉了一角。

這個(gè)看似“不完美”的設(shè)計(jì)背后，其實(shí)隱藏著精密的光學(xué)工程智慧。從1990年升空的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，到即將亮相的中國空間站巡天望遠(yuǎn)鏡（CSST），科學(xué)家們不斷突破技術(shù)瓶頸，只為捕捉更清晰的宇宙圖像。讓我們一起揭開這些“缺口”背后的秘密，了解太空望遠(yuǎn)鏡成像技術(shù)的演進(jìn)歷程。

哈勃望遠(yuǎn)鏡于1990年發(fā)射升空，是在大氣層外運(yùn)行的大型天文望遠(yuǎn)鏡。在地面觀察星星會(huì)忽明忽暗，這是空氣擾動(dòng)造成的，而哈勃望遠(yuǎn)鏡則避開了大氣對(duì)天文觀測帶來的影響，拍攝到了許多精細(xì)的星系圖像，為科學(xué)家提供了豐富的研究資料。

上圖：太空中的哈勃望遠(yuǎn)鏡下圖：哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的創(chuàng)世之柱（圖片來源：歐洲航空局）

哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的宇宙照片非常美麗，不過，相當(dāng)多的照片卻存在一個(gè)缺口，和平時(shí)手機(jī)拍出的照片不太一樣。其實(shí)，這與哈勃望遠(yuǎn)鏡中的重要組件——圖像傳感器有關(guān)。

為什么太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片有黑色缺口？

要理解這一現(xiàn)象，需要從太空望遠(yuǎn)鏡的基本構(gòu)造說起。哈勃望遠(yuǎn)鏡作為典型代表，主要由兩大部分組成：收集光線形成圖像的光學(xué)系統(tǒng)，以及記錄圖像的傳感器。

星系發(fā)出的光線會(huì)在望遠(yuǎn)鏡中的成像平面處匯聚，形成圖像。放置于成像平面的圖像傳感器負(fù)責(zé)將圖像轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，利用通信器件再發(fā)送回地球。

哈勃望遠(yuǎn)鏡成像示意圖（圖片來源：作者）

多虧有了能夠?qū)D片數(shù)字化的傳感器，才使得利用無線電傳遞圖像信號(hào)成為可能。早期將圖像從太空發(fā)回地面是一件非常困難的事情——以往的成像衛(wèi)星利用膠卷記錄圖像，再使用牢固的箱子將膠卷從太空投回地球。但這種方法存在很大風(fēng)險(xiǎn)：不僅尋找返回地球的膠卷相當(dāng)困難，大氣摩擦造成的高溫還有可能直接燒毀膠卷。

手機(jī)鏡頭配套的傳感器尺寸約相當(dāng)于小拇指的指甲蓋，相機(jī)的傳感器件稍大些。相比之下，哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測太空形成的圖像遠(yuǎn)大于手機(jī)以及相機(jī)，一個(gè)傳感器并不足以記錄全部的信息，需要多個(gè)圖像傳感器并列在一起，共同記錄圖像。

相機(jī)中的傳感器（圖片來源：作者）

哈勃望遠(yuǎn)鏡中配置四塊傳感器，四個(gè)傳感器的像素?cái)?shù)量為800×800，也就是說，每一塊傳感器都能將接收到的圖像轉(zhuǎn)換為800×800=64萬個(gè)像素點(diǎn)組成的數(shù)字圖像。代號(hào)為WF（wield field，寬視場）2、3、4的傳感器面積較大，能夠記錄比較多的圖像，視野范圍比較大。與WF傳感器相比，代號(hào)為PC（Planetary，行星）的傳感器像素?cái)?shù)量一致，但尺寸是WF傳感器的四分之一，意味著它能夠記錄的圖像細(xì)節(jié)更多，可以擔(dān)任比較精細(xì)的觀測任務(wù)。

圖中四個(gè)小方塊即為哈勃望遠(yuǎn)鏡的四塊傳感器（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

當(dāng)將這四個(gè)傳感器成的像拼合成一幅圖像時(shí)，也就生成了一幅在我們看來有缺角的圖像。仔細(xì)觀察圖像，可以發(fā)現(xiàn)圖像中間隱約存在的拼接痕跡。

四個(gè)傳感器的成像拼接（圖片來源：NASA）

從WFPC1到WFPC3：哈勃望遠(yuǎn)鏡的“成像矯正”

上述四塊傳感器以及配套的器件組成了一個(gè)名為WFPC2的儀器模塊。1993年，航天飛機(jī)將WFPC2送到太空中運(yùn)行的哈勃望遠(yuǎn)鏡處，替換了最開始的WFPC1儀器。

之所以需要更換，是因?yàn)楣h(yuǎn)鏡的一塊反射鏡面在加工時(shí)出現(xiàn)了差錯(cuò)，但這一缺陷直到1990年在軌運(yùn)行才發(fā)現(xiàn)——原定的WFPC1儀器模塊無法接收到清晰的圖像。為此，地面的工作人員花了三年時(shí)間制造了WFPC2儀器模塊。相比于WFPC1，它還安裝了一塊用于矯正圖像的鏡片，其作用類似于人眼的近視眼鏡，能夠彌補(bǔ)望遠(yuǎn)鏡反射鏡的加工缺陷，從而獲得清晰的圖像。

上圖：科學(xué)家正在測試WFPC2模塊，下圖：航天員正在為哈勃望遠(yuǎn)鏡更換儀器（圖片來源：NASA）

WFPC2儀器模塊在軌運(yùn)行了超過十五年，它承擔(dān)了十余萬次宇宙觀測任務(wù)。在2008年，它的任務(wù)由新的儀器模塊WFPC3接替。

從左至右依次為WFPC1、WFPC2、WFPC3記錄的圖像（圖片來源：NASA）

相比之下，詹姆斯-韋伯望遠(yuǎn)鏡的經(jīng)歷就顯得順利多了，它于2021年12月25發(fā)射，在距離地球約150萬公里的茫茫宇宙中運(yùn)行。

上圖：詹姆斯-韋伯望遠(yuǎn)鏡，下圖：韋伯望遠(yuǎn)鏡拍攝的創(chuàng)世之柱

（圖片來源：NASA）

中國CSST突破瓶頸：可旋轉(zhuǎn)平面鏡的巧妙設(shè)計(jì)

繼哈勃望遠(yuǎn)鏡、詹姆斯-韋伯望遠(yuǎn)鏡之后，世界將迎來第三臺(tái)大型的太空望遠(yuǎn)鏡——中國空間站巡天空間望遠(yuǎn)鏡（CSST）。作為人類觀測宇宙的重要窗口，天文望遠(yuǎn)鏡的每一次升級(jí)都令科學(xué)界充滿期待，許多科學(xué)家都盼望著能夠獲取新的觀測數(shù)據(jù)。

然而，由于不同科學(xué)家的研究需求各異——有的需要可見光數(shù)據(jù)，有的需要紅外波段的數(shù)據(jù)，有的需要所有波段的精細(xì)光譜數(shù)據(jù)。單一的成像傳感器沒有辦法滿足要求，只能配備多個(gè)傳感器。因此，CSST巡天望遠(yuǎn)鏡一共有五個(gè)成像模塊，每個(gè)成像模塊又由數(shù)十個(gè)傳感器拼接而成，每個(gè)模塊中配備的傳感器總面積相當(dāng)于四張A4紙的面積，這種設(shè)計(jì)既保證了觀測的全面性，又實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的高效性。

巡天望遠(yuǎn)鏡及其配備的五個(gè)成像模塊（圖片來源：中國科學(xué)院)

以巡天模塊為例，其成像系統(tǒng)由30塊傳感器拼接而成，拍攝而成的圖像由大約25億像素組成，一張照片便需要4.4GB的存儲(chǔ)空間。作為對(duì)比，手機(jī)拍攝的照片大小約為4MB(1GB=1024MB)。

雖然CCST與中國空間站在同一個(gè)軌道上運(yùn)行，但如果因?yàn)樘綔y不同的數(shù)據(jù)而讓航天員頻繁替換望遠(yuǎn)鏡的成像模塊，這一工作將會(huì)非常繁瑣。好在科學(xué)家們?cè)谠O(shè)計(jì)之初就考慮到了這一問題，為此特別設(shè)計(jì)了一塊能夠旋轉(zhuǎn)的平面鏡：通過精確調(diào)節(jié)角度，能夠使得望遠(yuǎn)鏡所成的像面處于不同的位置，不同位置安裝不同的成像模塊，在需要切換成像模塊時(shí)，只需要控制平面鏡的旋轉(zhuǎn)角度即可。

巡天望遠(yuǎn)鏡成像切換模塊簡單示意（圖片來源：作者）

望遠(yuǎn)鏡的鏡面猶如人類眼球中的晶狀體，必須具備極高的平整度，才能精確彎折來自宇宙的光線。而望遠(yuǎn)鏡的成像模塊則好比人眼中的視網(wǎng)膜，承擔(dān)著轉(zhuǎn)換光信號(hào)的重要功能。

自從牛頓時(shí)代開始，人類建造了許多望遠(yuǎn)鏡，利用光去觀察人類無法親自到達(dá)的廣闊宇宙。從軌道運(yùn)行的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，到深空探測的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，再到即將升空的中國巡天望遠(yuǎn)鏡（CSST），這些工程奇跡不僅延續(xù)著人類用光探索宇宙的夢想，更將我們觀測的視野不斷推向宇宙更深處。

參考文獻(xiàn)

[1]Wide Field and Planetary Camera 2 Instrument Handbook.

出品：科普中國

作者：海里的咸魚（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）

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