望遠鏡為天文學立下汗馬功勞，從伽利略開始…… 1，伽利略和木星衛星 當伽利略第一次舉起望遠鏡望向星空，他看到了什麼？ 他觀察到木星的圓面，看到了月球上覆蓋着山脈並有火山口的裂痕。一年後，他又觀察到木星的4顆衛星，看到金星圓缺變化的滿盈現象，以及太陽的黑子運動；他看到了銀河由許多星星組成，表明地球外的宇宙之大；實際上為哥白尼日心說間接提供了證據。 1610 年 1 月 7 日那晚，伽利略又將望遠鏡對準了木星，發現木星總是被3顆星伴隨着。過後幾天，伽利略在木星旁又發現另1顆，總共4個光點，像4顆兵乓球一樣陪伴在木星身邊，它們一直隨着木星運動，還圍繞着木星轉動。伽利略猛然開竅：那4顆星不是恆星，和月亮繞地球轉一樣，它們應該是木星的衛星！
伽利略觀測木星（YouTube視頻） 聰明的伽利略利用他的新發現來籠絡當時佛羅倫斯最大的貴族-麥迪席家族，他將新發現的這4顆木星衛星命名為“麥迪席星群”，因為正好麥迪席家族有4個兒子。麥迪席家也因此安排伽利略成為比薩大學的教授，且不用教書和盡公職，只專心做研究，這使得當時的伽利略聲名大噪譽滿歐洲，人們似乎忘記了（或者說是視而不見）這些新發現對哥白尼日心說的支持。每個貴族，包括法國王室在內，都想叫伽利略找到什麼新的星星好以他們的家族姓氏來命名。 不過，後來的天文界雖然承認伽利略發現了木星的這4個最大的衛星，卻不接受他提議的貴族命名，而是將它們稱為“伽利略衛星”，四個衛星的名字分別為：Io 伊奧、Europa 歐羅巴、Ganymede 加尼美德、Callisto 卡利斯托，取的都是希臘神話中宙斯朱庇特情人的名字。後來又不停地發現了木星的多個衛星。據當前的資料，木星衛星數目是太陽系行星中最多的，地球只有一個月亮，而目前發現的木星衛星已有80個左右。有趣的是，據說人們繼續用宙斯情人（或傾慕者）的名字，或這些人的女兒（女兒的女兒）名字來命名它們。不過筆者認為，對如此眾多伴侶的星王，還是以數字排隊比較科學：木衛（+#）。比如說，4顆伽利略衛星可以被簡單地稱為木衛一、木衛二、木衛三、木衛四。 木星衛星中只有8個屬於軌道近圓形的規則衛星（軌道近圓形，形體較規則），包括4顆最大的伽利略衛星，以及其餘4顆體積更小，但更接近木星的衛星，這4顆小規則衛星（木衛十六、木衛十五、木衛十四、木衛五 ），被認為是薄薄的木星環塵埃的主要來源，見圖左邊木星環的結構剖視圖。 四顆伽利略衛星的直徑均超過3000公里，其大小都可與月球相比較，最大的木衛三比水星還大。不過，木星的其餘七十多個衛星就都是嬌小玲瓏的“矮個子”了，直徑都低於250公里，有的小到不到1公里。因木星擁有如此眾多的衛星“伴侶”，使它看起來頗像一個小太陽系。 2，探測木星 人類從未停止研究木星，如此一個 “氣體”星球，大氣無“氧”表面溫度極低，科學家們卻十分感興趣三番五次派去使者探究，究竟為何原因？ 首要原因是因為它大，在太陽系中僅次於太陽。它擁有巨大的電磁場，對人類生命也許有潛在影響。二是眾多的衛星及相關小行星，都臣服於它的引力超強。木星的環境不適合人類，但生命是否有可能存在於它衛星上？還有成千上萬的小行星，有生命存活的條件嗎？科學家們已發現一些蛛絲馬跡，例如存在水的跡象。第三，木星有許多難解之謎，激發人們天馬行空的想象。 木星表面有紅、褐、白等顏色，紋路清晰繽紛燦爛。最奇怪的是，“紋路”中還夾着一塊令人印象深刻的大紅斑。這都是些什麼呀，如何形成的？ 眼見為實啊，因此一定要派“使者”去看一看！ 已經有好些個航天器拜訪過木星，大多數是掠過而“順訪” 一下這位巨無霸。木星家大業大，接待個把客人不在話下，還可以順便給客人來個“引力彈弓”，推它一把。讓它們增大速度，奔向人類預設的目的地，順利地到達。 旅行者、先驅者、尤利西斯、卡西尼、 新視野，都訪問過他 當然，在“順訪”的過程中，航天器也偷拍幾張木星照片，測量一些有關木星的物理數據，傳回給地球上的科學家。這些寶貴的信息大大加深了人類對木星的認識。 別的不說，人類發現的木星衛星數目從1位數不斷地增加，其中，這些前期造訪者的功勞很大。 
探測木星（YouTube視頻） 有兩個航天器的目的算是常駐它們繞着木星轉，伽利略號打頭陣朱諾號再接班，它們的故事都不平凡。伽利略號一生波折問題不斷，設計者只給它安排 “繞木”兩年，但它繞木8年總共服務14年，從 1989到2003。它曾經記錄了1994年舒梅克·利維九號彗星撞木星的天文奇觀，這是人類第一次觀察到太陽系內兩個天體的碰撞事件。 伽利略號最後以自殺方式壯烈犧牲，永遠消失在木星的大氣間。 NASA的“朱諾號”發射於2011年，5年後剛剛飛到木星邊，這時主引擎發生故障，未到預定軌道只能按53天周期繞木轉圈。但後來朱諾號奇蹟般地因禍得福開展新任務峰迴路轉。 她壯志凌雲身未亡，忠於職守繞木轉，壽命從原來的2021延長至2025年！ 朱諾是古希臘羅馬神話中朱庇特妻子的名稱，據說天神朱庇特總是在身旁造出一層雲霧，以遮掩他的頑皮行徑。而唯有他的夫人朱諾，能夠看穿層層雲霧見識朱庇特真身。 朱諾號航天器雖然長相不如天后那般美麗，她看起來像一架三葉片大風車，不過她卻是集智慧於一身。三個巨大葉片是太陽能電池板，每塊長9米寬2.65米。朱諾號之前大多數航天器利用核能，為何葉片如此之大？因為木星離太陽是5.2倍的日地距離，太陽能量的輻射平方反比率必須遵循。同樣大小的太陽能板在木星處接受到比地球上少得多的光能，只有地球處的1/25或4%，大大的葉片總共放置了1.8萬個光電池，它們能為朱諾號提供500瓦左右的電力使她順利繞木運行。 比較人類而言朱諾號高大威武重量不輕。僅是中心處大腦部分直徑便有3.5m，相當一個汽車拖箱的尺寸。三塊太陽能電池板，使其空間範圍擴展到20米，總重量3.6噸。其中2噸左右是燃料和氧化劑，還有9台科學儀器。這些儀器可以測量來自木星的各種輻射，木星很多方面與太陽相似，但為何一個成了恆星一個是行星？ 比如元素含量，氫元素大約占75%，氦元素占24%，和太陽中元素含量差不多，所以探索木星有助於了解太陽。為了防止木星的強輻射，朱諾被戴上一個“頭盔”重量200公斤。 科學家們不失幽默地要使朱諾號表現更多人性，讓她帶上了三尊特別的鋁製樂高人：朱庇特手握閃電、朱諾用放大鏡明察秋毫、伽利略拿着望遠鏡。 朱諾號去木星不容易，要克服地球重力還得克服太陽引力，因為我們不要它繞着太陽轉而要繞着木星轉。為此科學家們預先為她精心設計了軌道，有如下幾個亮點： 1：朱諾號2011年升空後兩年零兩個月到達金星軌道後，她轉回頭飛回地球到離地559公里的高度，借力於地球之引力彈跳，獲得了7.3 km/s的速度增量！ 2：巡航五年後被木星俘獲但繞木軌道不是簡單重複，由於進動原因，每次軌道都會偏離一點點，使得探測器能夠從稍微不同的角度和位置來觀測木星。整體軌道像春蠶吐絲蜘蛛織網，密密麻麻將木星包圍其中。 3：木星擁有強大的人眼看不見的巨無霸磁場，是地磁場的50-100倍，強大的磁場與太陽風的作用相抗衡使得周圍形成強大的輻射帶，但輻射帶結構中有空隙，朱諾號巧鑽空隙避磁場。 4：高速自轉似陀螺一樣，得以保持自身穩定。 朱諾號不遠萬里長途跋涉5年終於抵達木星身邊，進入了 “俘獲軌道”周期為53.5天，而工作軌道周期是14天，原計劃轉兩圈後最後一次點火變軌實現，不巧主發動機突發故障，地面人員緊急補救而決定不將引擎點燃。最終朱諾號只能在53天的軌道上繼續打轉。公轉周期延長節奏減緩，意味着離木星更遠。但對朱諾號而言反而因禍得福，壽命多了好幾年，因為設備受到更少的磁場傷害，延長了使用年限，美國宇航局也及時地將朱諾號的任務擴展到2025年。 新任務涉及 42 個額外的軌道，包括近距離掠過木星的北極氣旋，以及飛越木衛一、歐羅巴、還有比水星還大的木衛三，也將廣泛探索環繞木星的微弱光環。 2016年開始，朱諾號已經繞着木星轉了38圈。她近距離的觀察收集到不少新信息，洶湧澎湃大氣層、兩極多邊形氣旋、極光、磁場、閃電。特別是木星那個最引人注目的大紅斑…… 這個太陽系最大的風暴至少存在了200年甚至更長時間，但朱諾號的觀測結果顯示，大紅斑正處於生命周期的最後階段。在1880年左右大紅斑足以吞下4個地球，那時它第一次被發現，如今風暴縮小到大約1萬英里，是地球直徑的1.3倍而已。朱諾號也發現大紅斑的深度可達數百公里，她拍攝到的大紅斑風暴觀測圖像詳細又壯觀。朱諾號首次提供了木星氣流的3維視圖，發現大紅斑的大氣帶以高達300英里/小時的速度旋轉。朱諾號探測到延伸至雲層以下3000公里處的噴流，使科學家們了解到前所未知的木星的方方面面。 3，回到“韋伯望遠鏡”- 第一照 韋伯望遠鏡孤零零地飄蕩在它的L2軌道上，2月4號那天，已經離家一個半月的它將鏡頭對準了大熊星座中一顆恆星 HD 84406，這個大熊星座就是我們熟知的北斗星，距離地球約258光年，擁有全天最顯著的星象。恆星 HD 84406亮度為6.9等，不如北斗七星那般明亮到肉眼可見，但相對於周圍環境而言，算是明亮又相對孤立的。這次被天文學家們選中來作為為期數月校準巨大主鏡的目標。 
韋伯望遠鏡（YouTube視頻） 韋伯望遠鏡寬21英尺，是有史以來發射到太空的最大望遠鏡，並於上個月成功部署了主鏡。科學家們希望這個紅外望遠鏡能夠拍攝到宇宙早期形成的恆星殘骸的照片。 韋伯使用它的“主力儀器”--近紅外相機，對準HD 84406拍下了它的第一張紅外像，我們來看看這首張照片長什麼模樣？你可能端詳半天也看不出名堂，只見一個一個的白點，這是什麼呀？不由得令人想起31年前哈勃望遠鏡發回的首照，難道第一張照片都失敗兄弟倆命運一樣？這照片就是當年讓科學家們大失所望，哈勃照的是距離地球5500萬光年遠的M100星系，使哈勃望遠鏡成為一時的笑柄而廣受質疑。那的確是因為人為的錯誤而造成的，因為打磨鏡片的承包公司將主鏡的形狀磨錯了，鏡面邊緣多磨了2微米。雖然只有頭髮絲的五十分之一，但差之毫厘失之千里。後來為了矯正這個錯誤， 3年之後NASA對哈勃進行維修，涉及7位航天員10天時間5次出艙行走，才給哈勃戴上一副眼鏡矯正了“視力”，發回來了清晰的旋轉星系照片。之後哈勃成果非凡。 韋伯第一照與哈勃第一張有所不同，這張驚人的照片有18個模糊白點，這是在天文學家們意料之中的。因為韋伯的鏡片的位置還正在調整過程中。校準過程逐步而緩慢，將歷時好幾個月。這時候的韋伯不是作為一個望遠鏡整體來照相，而是18個鏡片中的每一個都聚焦於不同的位置。所以，這18個星點全部都是大熊座恆星HD 84406的“像”，是被主鏡的18片單獨鏡片反射到韋伯的次鏡，最後進入主要成像設備近紅外相機 而形成的。因此，目前看來韋伯校準的進度良好，這些點都位於中心部分附近，科學家將逐漸調整主鏡鏡片角度，直到18光點變成一顆星。 實際上，這個看起來由許多小白點組成的簡單圖像，令整個團隊無比興奮，因為他們很高興看到光線順利進入了近紅外相機（NIRCam），可以由此確認韋伯的紅外相機已準備好收集來自天體的光。除了這個近紅外相機之外，韋伯還配置了另外3個科學儀器：近紅外光譜儀（NIRSpec）、中紅外儀器（MIRI）、近紅外成像和無縫攝譜儀（NIRISS）。主鏡片的整個校準過程都將用NIRCam進行。另外，在我們看來顯得有些零亂的18個光點，天文學家們有辦法將它們與18個鏡片一一對應起來。因此，這第一張照片，成為對準和聚焦望遠鏡的基礎，其中隱藏了鏡片互相偏離的信息。科學家們根據這18個光點位置的變化來逐步調整鏡片的方向和位置，直到 18 幅圖像變成一顆星。 3，哈勃其人 宇宙是什麼？人類的宇宙觀念是與時俱進的。當人類只能用肉眼觀察到少量的星星時，對宇宙的概念只能主要靠想象或者是宗教，還談不上是科學。例如古中國的“天圓地方”“天地渾沌如雞子，盤古生其中”之類的。隨着人類更多的天象觀測以及對天體認識的加深，逐漸建立起初級的科學模型。如開始時，托勒密的地心說被人們廣為接受，算是最早的宇宙觀，直到16世紀時為哥白尼日心說所取代。之後，特別是伽利略發明了天文望遠鏡之後，人們進一步認識到太陽也不是什麼“宇宙中心”，而只是浩瀚銀河系邊緣一顆普通的恆星。 科學的腳步很快就走到了20世紀，人類宇宙觀的根本變革發生在1923年，伴隨着一位傳奇人物的登場，他名叫哈勃（Edwin Hubble）。 哈勃何許人也？ 哈勃是美國天文學家，1889年於密蘇里州出生，他一生的作為總聯上“星星”。他從小身材高大，名副其實的帥哥和明星。高中時曾在田徑運動會上一舉攬括七項冠軍。在芝加哥大學他作為一名重量級拳擊運動員而聞名，後來，他為滿足父親的願望到英國牛津大學學習了三年法律，同時也是校內著名的體育明星。他很快就摒棄了原來的美國口音，變成了一位風流倜儻的英國紳士，嘴邊叼着煙斗，操起一口純正的牛津英語。以至於回到美國時，朋友稱呼他“假洋鬼子”。 天文是哈勃最熱衷最着迷的事情，他從芝加哥大學獲得了天文學博士並受聘於威爾遜山天文台，得以觀察和研究天上的星星。在威爾遜山下距離不遠處的好萊塢，他是影星們心目中的英雄和偶像。 1920年的人類仍然在思考宇宙是什麼的問題，整個宇宙是不是只有一個銀河系還是許多個星系？天文學家們還就此在華盛頓的物理年會上展開了一場辯論。辯論雙方分別是利克天文台的柯蒂斯和威爾遜山天文台的沙普利。簡單而言，沙普利認為銀河系大小有30萬光年，主張銀河系就是整個宇宙，柯蒂斯認為銀河系大小不超過3萬光年，除了銀河系外，有多個與銀河系類似的島宇宙（星系）。從現代天文學的已知觀測事實來看，當然是柯蒂斯正確沙普利錯，因為對我們的可觀測宇宙，據估計有1000億到2000億個星系！事實上，兩位天文學家得出不同的結論是出於他們對銀河系大小的估計。實際上現在公認銀河系的大小是10萬光年左右，在兩人所估計值的中間。雖然被稱為大辯論，但雙方禮貌相待並沒有多少火藥味。因此，這場辯論並沒有勝者，但卻被當作科學史上的經典案例。 辯論時，哈勃剛到威爾遜山天文台一年，辯論之一方的天文學家沙普利，從1914年就是威爾遜山天文台的重要人員，有意思的是沙普利和哈勃兩人不尋常的關係，兩人都是密蘇里人，家鄉距離不遠。但他們的個性迥然不同幾乎是截然相反。沙普利更像是一個鄉下男孩，善交往好人緣。哈勃顯露他的軍事背景、英國口音、紳士着裝、冷漠傲慢。兩人都是極優秀的天文學家，共同利用當時最大的胡克望遠鏡。沙普利對仙女座星雲有詳盡的觀測，但他迷戀於他的 “大銀河” 一個宇宙夢。“不識銀河真面目，只緣身在此河中。”錯過了第一個發現河外星系，開創觀測宇宙學的機會。沙普利不久後就離開了加州去東部就任哈佛天文台台長。1924年，躊躇滿志的沙普利在他哈佛辦公室里收到哈勃來信，告訴他用造父變星的光變周期測量了仙女座星系與地球的距離為200萬光年之遙，證實了仙女座不屬於銀河系。這封信徹底毀了沙普利的銀河宇宙夢。但沙普利立即接受了哈勃的觀測事實，不計前嫌，一位真正的科學家！ 望遠鏡對天文學的功勞太大了！藉助望遠鏡，伽利略數木星的衛星，赫歇爾數恆星，哈勃數島宇宙（星系）。哈勃證明了仙女座不屬於銀河系，後來又有更多的河外星系一個一個被發現。哈勃後來又發現了星系間的距離在增加，宇宙正在膨脹的事實。因此，哈勃被譽為星系天文學的創始人和觀測宇宙學的開拓者。 
哈勃（YouTube視頻） 宇宙學和天文學關係密切，但在概念上是兩個完全不同的學科。天文學研究天體及其各種特徵，包括行星、彗星、恆星和衛星，星系天文學研究星系。而宇宙學是把宇宙當作一個整體進行研究，星系只是其中一個“點”。宇宙學的研究對象包括宇宙構成、演化，大尺度結構形成，等等。 例如韋伯望遠鏡要拍的宇宙嬰兒照，便屬於大爆炸模型的早期宇宙。 ×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××× 本人的科普視頻：YouTube： 天文航天：“談天說地” https://www.youtube.com/playlist?list=PL6YHSDB0mjBLmFkh2_9b9fAlN7C4618gK 趣味數學：數學大觀園 https://www.youtube.com/playlist?list=PL6YHSDB0mjBJifi3hkHL25P3K9T-bmzeA
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