空间观测四大天王
天文卫星，如果按观测目标的不同，它们可分为以观测太阳为主的太阳观测卫星和以探测太阳系以外的天体为主的非太阳探测卫星。从20世纪90年代起，美国就开始实施引人注目的空间大天文台计划，即发射4颗大型的非太阳探测天文卫星，帮助天文学家更好地观察宇宙。这4颗卫星实际上就是4个天文望远镜，被誉为空间观测的“四大天王”，按发射时间顺序为“哈勃”（HST）空间望远镜、“康普顿”γ射线望远镜（CGRO）、“钱德拉”Ｘ射线望远镜(Chandra)和“空间红外望远镜”（STIRF）。
在电磁波谱中，γ射线的波长最短，X射线次之，后面依次是紫外线、可见光、红外线和射电波。“四大天王”各有所长，因为宇宙中的天体发出各种波段的电磁波，靠一个望远镜很难进行全波段观测。对于天体来说，温度越高，其黑体辐射的波长越短；另一方面，一般来说，天体变化、活动的越剧烈，其高能辐射（X、γ射线）占其全部辐射的比例越高。利用这一特性，“康普顿”γ射线望远镜和“钱德拉”X射线望远镜主要用于观测宇宙中的高温天体和宇宙中发生的高能物理过程，“哈勃”空间望远镜配备了可见光和红外望远镜，可观测许多种类的天体，而“空间红外望远镜”是专门用于红外观测的卫星，能观测到低温天体。
这4个从红外线观测至γ射线观测的大型空间望远镜，可探测到宇宙中大部分电磁波谱，使天文学家以全新的方式观察宇宙，揭示其奥秘。
1990年4月25日率先登天的“哈勃”空间望远镜(HST)是“全能冠军”，星上仪器主要工作在紫外、近红外和可见光波段。它的观测能力可达到从华盛顿看到6万公里外悉尼的一只萤火虫，这相当于在地球上观测到月球上装两节电池的手电筒的闪光。（左图为NASA提供的HST图片）
“哈勃”由航天飞机送上高590 公里、倾角28.5° 的轨道，造价近30亿美元。其外形宛如一辆长翅膀的大型公共汽车，长13.3米，直径4.3米，重11.6 吨。“哈勃”自发射以来，共有20多个国家的2000多名科学家用它进行了10多万次天文观测，撰写了1000多篇论文。 
“哈勃”空间望远镜以美国天文学家哈勃 (Edwin Powell Hubble,1889-1953)的名字命名（右图）。他对星系、宇宙膨胀和宇宙的大小的研究贡献良多。他发现漩涡状的星云其实是如同我们银河系般的星系，他确认出仙女座大星系 (Andromeda Galaxy) 中的造父变星，证明河外星系的存在，并把它们分类，同时又发现星系光谱中的红移现象，证明星系间正互相远离，这发现给予宇宙膨胀理论极大的支持。
“哈勃”空间望远镜的功勋卓著。例如，它最远已观测到140亿光年的星系；证明某些星系中央存在超高质量黑洞；找到了1颗比太阳亮1000万倍的恒星；拍摄到第1幅太阳系外的行星图像；对千载难逢的彗星与木星相撞进行了详细的观测；对火星等太阳系行星的气候情况进行了研究等。通过“哈勃”，大大增进了人类对宇宙大小和年龄的了解，使天文学家有可能跟踪宇宙发展的历史。“哈勃”将工作到2010年左右，届时将由“新一代空间望远镜”（NGST）接替它，后者更轻、更便宜，性能更好。
20世纪90年代早期的“宇宙背景探测器”（COBE）用于探索时间跨度从“大爆炸”后10万年～1亿年的早期宇宙的演化，那时银河系还没有形成。而“哈勃”则能观测到从“大爆炸”后50亿年直到现在这一时间跨度的宇宙演化，此时银河系已经形成。因此，从“大爆炸”后1亿年～50亿年之间存在着“观测暗区”。这就需要对这段时期，即宇宙从无边的分散的物质状态演变成高度集中的物质状态的时期进行探索，并从中获取探测数据。NGST将于2010年左右发射升空（左图为效果图），任务是探索这个“观测暗区”，NGST不但需要至少具有与“哈勃”相同的分辨率，而且还要更加灵敏，以便观测到更为深邃的时空。
在外型上，NGST与“哈勃”望远镜大相径庭。NGST主镜片的直径大约为6米，比“哈勃”望远镜的主镜片宽2.5倍。如此巨大的镜片使得NGST能够探测到的物体可以比“哈勃”望远镜能够探测到的物体暗淡400倍。由于没有哪个运载火箭的有效载荷整流罩宽到可以容纳如此大的镜片，NGST的镜片将由一系列六边形分镜片组成，发射时分镜片将折叠起来。在NGST发射之后，一个大约有网球场大小的大型矩形太阳光遮光罩将被展开，用以为镜片和其它航天器部件遮挡来自太阳的热量。
NGST的“眼睛”主要观测红外线谱段（也能够观测可见光谱段）它将携带3台仪器：1台近红外摄像机、1台近红外光谱摄制仪以及1台组合式中红外摄像机与光谱摄制仪。NGST将被送入与哈勃望远镜不同的轨道位置，观测来自遥远物体的微弱信号。]
“四大天王”中的老二——“康普顿”γ射线空间望远镜（CGRO）是1991年4月5日升空的（右图）,重达17吨。之所以这么重,是因为宇宙辐射源放射的γ射线数少（γ射线是在宇宙发生一些最强烈的玄妙现象时才产生）,所以要用大型仪器才能在不很长的时间内对大量的光子进行探测。这一太空巨星载有4种仪器，将近7吨重,最大的1台尺寸如同小汽车,重约1吨。它们能探测到能量为2万-300亿电子伏特的光子和各种能量的γ 射线，而且每台仪器都能识别出某个特定范围中的光子射线，从而可以对探测到的数据进行相互比较。
“康普顿”γ射线空间望远镜以美国科学家康普顿（Arthur Holly Compton，1892-1962）的名字命名。康普顿获1927年诺贝尔物理学奖的一半。
γ射线通常来自宇宙中的双星、脉冲星和黑洞等高密度天体,通过探测空间的γ射线,对于揭开黑洞之谜、了解恒星的形成及演化等具有重要意义。“康普顿”γ射线空间望远镜在轨工作期间探测到2600起γ射线的喷发,地点遍布全宇宙,其中包括来自30个目前尚无人了解的星体。这些γ射线的喷发分别来自黑洞、太阳和星体爆炸等,有些资料让科学家首次了解到黑洞是如何引发Ｘ和γ射线的喷发,而且其外射速度接近于光速。1997年4月底,美国通过“康普顿”观测到银河系中喷射出来的反物质粒子云,在天文界引起轰动。同年,它还探测到一束120亿年前产生的γ射线冲击波。
“康普顿”把宇宙的可观察范围扩大了300倍，在轨服役9年，超期了4年,后因故障于2000年6月4日由人工控制“跳海”。这些年，每年约有100名天文学家利用康普顿进行研究，至今已根据资料写出2000篇左右的论文，有些资料改变了天文学家看待宇宙的方法，但是γ射线喷发的原因至今仍是一个谜。
“四大天王”中的老三——“钱德拉”Ｘ射线望远镜(Chandra)（左图）是1999年7月24日发射的，被送入预定的近地点为1万公里、远地点为14万公里的轨道。
“钱德拉”长13.5 米、重约22.5 吨，耗资15.5亿美元。它配备有高分辨率镜面组合、高级电荷耦合装置成像光谱仪(ACIS)、高分辨率相机、高能透射 光栅和低能透射光栅光谱仪，分辨率是以前升空的Ｘ射线天文卫星的10倍,而且集光能力强,成像的能量范围广,并可精确地把光谱分解成不同的能量成份。
“钱德拉”是以天体物理学家、美籍印度人苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡尔（Subrahmanyan Chandrasekhar，19l0-1995）的名字命名的，钱德拉塞卡尔获1983年诺贝尔物理学奖的一半。
“钱德拉”望远镜已发现了大约宇宙7000个Ｘ射线源，计划在太空至少运行5年。它可提供有关黑洞、相撞的星系和超新星遗迹等一些最主要的宇宙Ｘ射线源的高清晰度图像,测定宇宙总质量中有多少是以炽热气体的形式存在；检查宇宙的年龄和星球演变及超新星爆发理论。这些都有利于更多地了解宇宙的起源和演化。
（右图为“钱德拉”2003年9月拍摄到的一组月球X射线照片，图右侧为所拍摄的月球明亮区域由氧、镁、铝和硅原子发出的X射线照片）
“四大天王”中的老四——“空间红外望远镜”（STIRF）原定于2001年底～2002年初发射，因技术原因延期了几年，终于在2003年8月25日凌晨发射成功。
目前，总价值约12亿美元的“空间红外望远镜”还没决定用哪位天文学家的名字命名，它长4．45米，直径约2米，包括一个直径85厘米的透镜和3台观测仪器。其中的红外阵列照相机能在近红外和中红外波长上进行观测，红外摄谱仪可将光分成不同的波长以研究天体的构成，另一台多波段成象光度计则能在远红外波长上采集照片和数据。这些仪器通过液态氦进行冷却，能在仅比绝对零度高1．4摄氏度的低温下工作。
据估计，“空间红外望远镜”的观测寿命最短为2.5年，目
标在5年以上。由于采用了大型红外探测器阵列技术及最先进的低温技术,它的灵敏度极高,不仅能观测到超过目前任何空间天文望远镜上百万倍远的观测目标，还能穿越气团和尘埃查看恒星的诞生和死亡，让科学家了解宇宙早期的模样。该望远镜的轨道也非常独特，躲在地球后面，与地球保持同样的角速度绕太阳旋转。这个轨道可使卫星有一个良好的热环境，利用大自然作为冷却源，这样就可以少带液氦，减轻自身重量。
目前已确定“空间红外望远镜”将于2005年被“空间干涉测量仪”（SIM）卫星（左图为效果图）所取代，后者所观测的天体位置的精确度是“哈勃”太空望远镜的1000倍，它能使人类首次观察到球面星团中的单个恒星。
除了美国的“四大天王”，欧洲的天文卫星也不亚于美国。1983年升空的世界第一颗红外天文卫星就是荷兰“领衔”研制的。1995年11月16日,欧洲空间局又发射了“红外空间观测器”卫星”（ISO）（左图）。1999年12月10日入轨的欧空局的“多镜面X射线观测卫星”(XMM)（右图）的灵敏度是美国“钱德拉”Ｘ射线空间望远镜的5倍。
XMM外形尺寸为10.8米×4米，质量3900公斤，有效载荷是1架口径为30厘米的光学观测望远镜。XMM由3个相同的外直径为70厘米的X射线反射镜组件和3台CCD成像仪以及2台第1次用于探测X射线的高分辨率反射光栅谱仪组成。这架新型望远镜一共有174块反射镜，反射镜组件的焦距为7.5米，具有比以前任何望远镜都要高得多的光通量和灵敏度。
天文学家对XMM寄予厚望，他们希望在该卫星的10年有效寿命期内能收集到宇宙中3万颗星的X射线光谱，并利用这颗卫星得到宇宙中的“黑洞”存在的确实证据。
日本不甘示弱，于1997年2月12日发射了世界最大的“空间射电望远镜”（VSOP）（左图）它可从东京分辨出悉尼的1颗米粒大小的东西,能在揭开黑洞结构等许多宇宙之谜方面发挥作用。
（高能所科研处制作 内容摘自科技日报、电子期刊、科学之门网站、中国教育和科研计算机网、NASA网等）
导航：尖子网/港湾/物理/天文资料