2025 年 1 月，在海拔 4200 米的青海冷湖天文觀測(cè)基地，我國(guó)首臺(tái)正式運(yùn)行的地基近紅外望遠(yuǎn)鏡悄然“睜開(kāi)雙眼”。

這臺(tái)由長(zhǎng)春光機(jī)所為中山大學(xué)量身打造的 80 厘米口徑近紅外天文望遠(yuǎn)鏡，如同暗夜中的“紅外獵手”，精準(zhǔn)覆蓋 0.9~2.5 微米波段，憑借無(wú)人值守與 AI 數(shù)據(jù)分析能力，已成功捕捉到超新星 SN2024xal 爆發(fā)時(shí)釋放的紅外“脈動(dòng)”。

而在此之前，長(zhǎng)春光機(jī)所張學(xué)軍院士團(tuán)隊(duì)更完成了一項(xiàng)“鏡面奇跡”——為中國(guó)空間站巡天望遠(yuǎn)鏡打造的 2 米口徑主反射鏡，其鏡面精度達(dá)到驚人的 10 納米級(jí)。

若將這面鏡子放大至 60 公里直徑，表面起伏誤差也不超過(guò)±0.3 毫米。

坐落于海西州冷湖鎮(zhèn)賽什騰山的中山大學(xué) 80 厘米紅外望遠(yuǎn)鏡。圖片來(lái)源：廣州科協(xié)

望遠(yuǎn)鏡口徑的“競(jìng)賽”不僅在國(guó)內(nèi)上演，放眼全球，這場(chǎng)“巨眼之爭(zhēng)”早已白熱化。

美國(guó)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡2.4 米的口徑曾稱(chēng)霸太空觀測(cè)領(lǐng)域數(shù)十年，而 2021 年升空的詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡，則以 6.5 米的巨大口徑刷新紀(jì)錄，成為人類(lèi)觀測(cè)深空的“超級(jí)眼睛”。

詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡在太空中完全展開(kāi)。圖片來(lái)源：維基百科

那為什么望遠(yuǎn)鏡的口徑越做越大呢？答案藏在光與宇宙的對(duì)話(huà)中。

望遠(yuǎn)鏡口徑越大，能收集到的光子數(shù)量越多，角分辨率越高，能夠幫助我們獲得更多的信息。

口徑是望遠(yuǎn)鏡的“集光漏斗”

望遠(yuǎn)鏡的集光能力，即光子捕獲量?？趶骄拖裢h(yuǎn)鏡的“集光漏斗”，口徑越大，能收集到的光子數(shù)量呈平方級(jí)增長(zhǎng)。

對(duì)于一塊球形的表面來(lái)講，我們可以通過(guò)面積公式得到其面積與直徑的平方成正比，即：A∝D2

而望遠(yuǎn)鏡的集光能力由接收到的光通量（Φ）決定，其完整物理公式如下：Φ=B?A?η?Δλ?t

其中 B 表示天體的表面亮度，A 表示望遠(yuǎn)鏡的有效接收面積，η 代表光學(xué)系統(tǒng)綜合效率，Δλ 代表觀測(cè)的帶寬（波長(zhǎng)范圍），t 代表曝光時(shí)間。

由此我們可以看出，在其他條件一致時(shí)，更大的 D 可以帶來(lái)更大的 A，從而帶來(lái)更大的光通量。

舉個(gè)例子來(lái)講，4 米口徑望遠(yuǎn)鏡的集光能力是 2 米口徑的 4 倍（面積比 = (4/2)? = 4），這意味著在觀測(cè)相同天體時(shí)，4 米口徑望遠(yuǎn)鏡相較于 2 米口徑望遠(yuǎn)鏡，其曝光時(shí)間可縮短至 1/4，或能用來(lái)探測(cè)更暗弱的天體。

探測(cè)百億光年外的早期星系、暗物質(zhì)分布等，需極大口徑的望遠(yuǎn)鏡捕獲微弱光子，如長(zhǎng)春光機(jī)所正在研制的 6.5 米寬視場(chǎng)光譜巡天望遠(yuǎn)鏡主鏡系統(tǒng)可利用光譜觀測(cè)捕捉宇宙年齡只有今天十分之一時(shí)的年輕星系。

詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)有氣體的年輕恒星

口徑是望遠(yuǎn)鏡的“視力標(biāo)尺”

角分辨率是衡量光學(xué)系統(tǒng)分辨微小細(xì)節(jié)能力的核心指標(biāo)，其物理本質(zhì)源于光的衍射效應(yīng)。

根據(jù)惠更斯-菲涅耳原理，當(dāng)光線(xiàn)通過(guò)有限口徑的孔徑時(shí)，由于波前受到限制，會(huì)在像平面上形成衍射圖樣。

一個(gè)點(diǎn)光源經(jīng)理想光學(xué)系統(tǒng)成像后，并非嚴(yán)格的幾何點(diǎn)，而是呈現(xiàn)為中心亮斑（愛(ài)里斑）被暗環(huán)包圍的衍射斑紋。兩個(gè)相鄰點(diǎn)光源能否被區(qū)分，取決于它們的衍射圖樣重疊程度。

英國(guó)物理學(xué)家瑞利（Lord Rayleigh）提出判據(jù)：當(dāng)?shù)谝粋€(gè)點(diǎn)光源的衍射斑中心恰好落在第二個(gè)點(diǎn)光源衍射斑的第一暗環(huán)處時(shí)，兩者剛好可分辨，此時(shí)兩光源的角距離被定義為最小分辨角（θ）。

該角分辨率由波動(dòng)光學(xué)嚴(yán)格導(dǎo)出，其公式表達(dá)為：

其中，λ為觀測(cè)波長(zhǎng)，D 為望遠(yuǎn)鏡的通光口徑。

公式中的系數(shù) 1.22 源自圓孔衍射的一階貝塞爾函數(shù)零點(diǎn)位置，對(duì)應(yīng)于第一暗環(huán)的角半徑。

從公式可直接看出：最小分辨角 θ 與波長(zhǎng)λ成正比，與口徑 D 成反比。

因此，增大望遠(yuǎn)鏡口徑 D 可顯著降低 θ 值，從而提升分辨細(xì)節(jié)的能力。

這一關(guān)系的物理機(jī)制在于：更大口徑的望遠(yuǎn)鏡能更完整地接收入射波前，限制衍射效應(yīng)的發(fā)散程度。

當(dāng) D 增大時(shí)，衍射愛(ài)里斑的角直徑（2.44λ/D）隨之減小。

例如，在可見(jiàn)光波段（λ≈550nm），一臺(tái) 10 米口徑望遠(yuǎn)鏡的理論分辨角 θ≈0.014'，而 1 米口徑望遠(yuǎn)鏡 θ≈0.14'——前者分辨能力相較于后者能夠提升 10 倍，相當(dāng)于能從北京清晰分辨上海兩座間距僅 1 米的燈塔。

大口徑望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)勢(shì)尤其體現(xiàn)在深空觀測(cè)中：哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（D=2.4m）憑借其 0.05 角秒的分辨率，成功解析了 250 萬(wàn)光年外仙女座星系中的單顆恒星；

而在地面，隨著通過(guò)對(duì)大氣產(chǎn)生的波前誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)改正的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)日益成熟，地面望遠(yuǎn)鏡也能夠開(kāi)始做到“讓星星不再眨眼”，讓望遠(yuǎn)鏡的分辨率逐漸逼近理論衍射極限，兌現(xiàn)大口徑望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)能力優(yōu)勢(shì)。

比如，正在建設(shè)的 39 米極大望遠(yuǎn)鏡（ELT）就將把分辨率推至 0.005 角秒，可以直接看到太陽(yáng)附近其他類(lèi)地巖石行星的存在并分析其大氣組成。

下圖展示了迄今為止用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡圖像數(shù)據(jù)組裝的最大的照片馬賽克：近鄰的仙女座旋渦星系全景圖。

完整的哈勃仙女座星系全景拼接圖像由 600 幅左右的獨(dú)立曝光組成，這些畫(huà)面是利用 2010 年 7 月至 2022 年 12 月的觀測(cè)數(shù)據(jù)拼接而成的，其寬度達(dá)到了六個(gè)滿(mǎn)月左右。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的仙女座星系（Messier 31）的巨幅全景圖

更遠(yuǎn)、更清、更快，口徑才是致勝法寶

大口徑望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)價(jià)值集中體現(xiàn)為三大能力的革命性跨越，其核心邏輯植根于光學(xué)物理的基本法則。

在探測(cè)深度上，集光能力與口徑平方成正比的物理定律使望遠(yuǎn)鏡得以捕捉宇宙邊緣的微小光信號(hào)——早期星系歷經(jīng)百億年傳播抵達(dá)地球的光子流已衰減至人眼感知極限的百億分之一，唯有大口徑望遠(yuǎn)鏡方能捕獲這些暗弱天體，從而追溯宇宙大爆炸后首批恒星形成的黑暗時(shí)代，揭示暗物質(zhì)分布的神秘圖譜。

這種深度穿透能力將人類(lèi)視野拓展至傳統(tǒng)小口徑設(shè)備無(wú)法觸及的深空疆域，使百億光年外的宇宙圖景從理論推測(cè)轉(zhuǎn)化為可觀測(cè)實(shí)體。

同時(shí)，角分辨率公式揭示了口徑與分辨極限的反比關(guān)系。在越來(lái)越強(qiáng)大的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的加持下，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡口徑增大時(shí)，衍射效應(yīng)導(dǎo)致的愛(ài)里斑尺寸顯著收縮，使天體細(xì)節(jié)解析能力呈幾何級(jí)提升。

小口徑望遠(yuǎn)鏡中模糊成團(tuán)的遙遠(yuǎn)星系，在大口徑系統(tǒng)下可分解為單顆恒星；系外行星不再僅是光變曲線(xiàn)上的微小起伏，而可能透露出行星大氣結(jié)構(gòu)和組成的信息。

觀測(cè)效率的躍升則源于大口徑對(duì)時(shí)間維度的壓縮。集光能力的指數(shù)增長(zhǎng)使同等信噪比所需的曝光時(shí)間銳減（t∝1∕D2），這對(duì)捕捉宇宙瞬變事件具有決定性意義——超新星爆發(fā)、伽馬射線(xiàn)暴余輝等現(xiàn)象常在數(shù)小時(shí)內(nèi)演化消亡，傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡因曝光時(shí)間不足只能獲取模糊影像或完全遺漏事件。

長(zhǎng)春光機(jī)所部署的 80 厘米近紅外望遠(yuǎn)鏡已示范性捕獲超新星 SN2024xal 的完整光變曲線(xiàn)，而正在攻關(guān)的 6.5 米寬視場(chǎng)系統(tǒng)將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)巡天，構(gòu)建高時(shí)效性宇宙演化圖譜。

80 厘米望遠(yuǎn)鏡拍攝的近紅外波段圖像。左圖：圓圈中為超新星 SN2024xal；右圖：2MASS 兩微米全天巡天望遠(yuǎn)鏡拍攝的近紅外波段歷史圖像 圖片來(lái)源：中山大學(xué)物理與天文學(xué)院

大口徑望遠(yuǎn)鏡代表著能夠看的更遠(yuǎn)、更清、更快。

2024 年底，長(zhǎng)春光機(jī)所王建立團(tuán)隊(duì)中標(biāo)清華大學(xué)“6.5 米寬視場(chǎng)光譜巡天望遠(yuǎn)鏡”主鏡系統(tǒng)研發(fā)任務(wù)，標(biāo)志著我國(guó)地基望遠(yuǎn)鏡口徑向 6 米級(jí)以上跨越。

目前團(tuán)隊(duì)已啟動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，解決大口徑望遠(yuǎn)鏡難題，預(yù)計(jì)將推動(dòng)深空探測(cè)和天文觀測(cè)能力進(jìn)一步提升，為我國(guó)的探測(cè)事業(yè)打磨更亮的眼睛！