为什么说仪器发展是天文学发展的驱动力？

作者：霍卓玺 （钱学森空间技术实验室）
转载自“科学大院”微信公众号

天文学是最古老的自然科学学科之一。

早在科学仪器介入之前，人类就已经利用裸眼，通过观察日月星辰来辨别方位、建立历法。直到公元17世纪，光学望远镜和微积分进入天文学之前，人类在几千年中的天文学实践都可以概括为 基于裸眼的天体测量学 。

随后，天文学家一方面通过 望远镜 极大地提高了先前受限于裸眼能力的观测精度和探测灵敏度，另一方面又借助 微积分 这个数学工具，从观测资料中分析出天体运动的规律，天体力学就这样诞生了。

它既是时空基准的基石之一，服务于导航等应用领域；同时也可作为引力场的探针，在基础研究中大显身手。

到了19世纪，光学的进展再一次拓展了人类的视野。

图 约瑟夫·冯·夫琅禾费

集科学家与工程师于一身的约瑟夫·冯·夫琅禾费发明了分光计光谱仪，并用它从太阳光中找到了574条黑线。人类用裸眼，借助自然界的分光计（例如彩虹）只能看到低分辨率的太阳光谱，而借助 现代光学仪器 ，人类能看到的太阳光谱变得更为精细，因此才能找到里面隐藏的吸收线，也就是 夫琅禾费线。

古斯塔夫·基尔霍夫

罗伯特·本生

接下来，德国物理学家古斯塔夫·基尔霍夫和化学家罗伯特·本生证明，太阳光谱中的吸收线均对应着地球上已知气体的发射线。这也就意味着，尽管看上去如此不同，构成太阳的物质竟然也都存在于地球上。

从此，天文学家开始尝试用地球上总结出来的物理规律来理解天文现象，物理学家也将遥远的天体视作为极端条件实验室（尽管只许看、不许摸）检验、发现物理规律。如此，天文学的年轻分支—— 天体物理学的序幕终于被拉开了。

通过上述简要的回顾，我们不难发现，仪器的发展驱动着天文学的发展，而 仪器的发展方向，无疑是不断提升观测能力。

天文观测中，一个基本特征是目标都太远了，而且不受控。

正因如此，千百年来，人们习惯将天体作为时空参照物，这是好处；同时，这也是困难。

譬如，目标太暗了，我想看清楚些，怎么办？凑近点？ 不行，人类的活动范围比起同观察目标之间的距离来，根本不在一个数量级。

旅行者一号是迄今为止跑得最远的探测器，它于1977年出发，现在距离地球大约140个天文单位（地球到太阳之间的距离，约为1.5亿公里）。这个距离听起来很远，但距离太阳最近的恒星，也就是比邻星，距离我们有4.2光年（1光年大约是63000天文单位），是旅行者一号耗时40年旅程的1900倍。

旅行者1号，第一个提供了木星、土星以及其卫星详细照片的探测器，距今离地球最远的人造卫星。

数字太多，单位太大，咱们缩放对比一下。

如果把天安门当作银河系的中心，1光年缩小为1米。那么太阳系大体上相当于距离天安门20多公里的一块区域，这块区域不大，半径或许有1厘米，旅行者一号目前距离这块区域的中心只有2毫米，比邻星离太阳4.2米——确实大约就是隔壁邻居的距离。

再比如，我想观察的目标离附近的目标太近了，两个目标在视野中模模糊糊凑到一起，怎么办？把两个目标分开？可惜它们并不受控。

所以，打铁还需自身硬，天文观测中， 面对目标暗弱、多个目标无法分辨等诸多问题，还是要强调天文仪器的自我修养。

在进一步展开之前，我们先来解释几个统计方面的概念。

假设有一座小镇，镇里有个游泳馆，冬天去游泳的人很少，夏天去游泳的人很多。

根据长年累月地观察、记录，我们得知，游泳馆7月份平均每天能卖出100张门票，多的时候130张，少时也有70张。同时，有个游泳爱好者团体正在附近旅行。

那么， 我们是否可以根据这座小镇当天游泳的人数，来推测这个团体是否旅行到了这座小镇呢？

如果这个团体去游泳的人数相对小镇游泳馆平均门票售出数量来说很多，那么就是可行的，反之则很困难。

例如，已知这个团体平均每天50人去游泳，最多60人，最少也有40人，那么，假如当天小镇游泳馆卖出超过130张票，超过了平时销量，则爱好者们很可能已经到了小镇；假如当天小镇卖出不到110张票，则爱好者们很可能没有来。

如果团体平均每天只有5个人游泳，相对小镇游泳馆平均门票售出数量来说很少，用同样的方法来判断爱好者们是否到达了小镇，就要困难得多了。

在统计上，我们把小镇平时游泳馆门票销量称为 本底 ，这个人数也不是不变的，而是在平均数上下涨落。

涨落的原因有很多，举最常见的两个原因：第一，去游泳的人数本身就带有随机性；第二，门票数量与实际游泳人数有偏差（比如有人逃票）。门票因各种原因偏离期望值的数量，称为 本底涨落 。游泳爱好者团体购买的门票数量，称为 信号 。 信号相对本底涨落的大小，可以用来衡量信号的显著性 。

一般来说，仪器最重要的性能指标之一就是 探测灵敏度 。所谓探测灵敏度，就是能够显著地探测到的最小目标强度。套用上面的小镇游泳馆模型，就是能够通过游泳馆门票销量证实来小镇旅游的团队人数。

有什么办法可以提高探测灵敏度呢？

无非是在团队人数不变的情况下， 要么增大信号，要么减小本底涨落。

比如，假如游泳馆规模小，不足以容纳团队所有成员，因此团队里总有大量成员想游泳而买不到票，那么可以增大游泳馆的规模。

再比如，假设一般居民天气凉的时候不游泳，而爱好者不受天气影响，那么就可以利用天气凉的日子来“探测”。

光学望远镜的口径越大，曝光时间内收集的目标光就一定越多。常见的半导体探测器，如CCD、CMOS（这也是数码相机的核心部分）等本底涨落（也叫“噪声”，即数码相机在高感光模式下常见的噪点）中也有一部分随温度变化，这部分叫做 暗电流。 温度越低，噪声越低，所以常见的探测器一般都需要制冷来降低噪声。

除了灵敏度之外， 成像仪器的典型指标有空间分辨率、视场大小，计时仪器有时间分辨率，光谱仪器有光谱范围、光谱分辨率 等等。上述指标除了受仪器本身的特有设计影响之外，同时还 都以探测灵敏度为基础 。

例如，在前面的小镇游泳馆模型里，如果我们不仅要确定爱好者们哪一天来了小镇，还想知道他们到小镇之后在什么时间游泳，这就需要分时段来统计游泳馆门票销量。这显然提出了更高的要求（比如需要添置钟表，以及需要更大的游泳馆，或者提高清场频率）。

笼统地说，天文望远镜负责收集遥远天体发出的光，望远镜配备的各种探测器则负责接收望远镜收集到的光。计时仪器甚至可以记录单个光子（光线中携带能量的基本单元）到达探测器的具体时刻，或者电磁波不同时刻的强度。

图像探测器一般是单元探测器在空间排列成的阵列，可以记录不同位置收集到的光子数量；光谱仪记录的则是望远镜收集到的光子中，不同波长的光子分别有多少。

望远镜越来越大，各种探测器的精度越来越高，探测的范围也越来越全面。人的眼睛本来只对波长在380纳米到780纳米之间的电磁波敏感，然而，当今我们除了拥有 从射电、红外、可见光到紫外、X射线和伽马射线波段的望远镜、探测器之外 ，还可以探测电磁波以外的“信使”，例如 ，中微子及各种高能宇宙射线，乃至引力波。

我国于2017年6月15日发射升空的硬X射线调制望远镜“慧眼”探测的就是不同能量的X射线以及能量更高的软伽马射线（软和硬形象的表示光子能量大小，光子能量越大，则波长越短、频率越高，也就越硬，需要注意的是，硬X射线的能量要小于软伽马射线）。