太空望远镜的新天地

作为世界上光谱观测量最大的望远镜，拉莫斯特能同时观测4000颗星星，极大提高了对星星们进行“户口普查”的效率……作为我国第一台进入国际研究前沿的大型望远镜，拉莫斯特将被写进望远镜的历史。

山顶上的“导弹发射井”

河北省境内燕山山脉深处，群山峻岭之间有一座海拔960米的山头。每当夜晚降临，山脉之上的晴夜将会拉开帷幕，上演一场精彩的演出。仿佛上帝之手拉动了一个神秘的开关，万里无云的夜空中出现无数眨眼睛的星星。

这是位于承德市兴隆县境内的天文观测站，山脊上一座座圆形的拱顶就是一台台天文望远镜。这群拱顶间有个雪白崭新的异类，被世界顶级的学术期刊《科学》（Science）喻为“充满未来派风格的导弹发射井”，它便是新落成的拉莫斯特（LAMOST）望远镜。芝加哥大学的天文学家唐纳德·约克（Donald York）看到它时说：“说实话我很震惊。”

约克是美国斯隆数字巡天项目的主任，这个项目通过使用设立在阿帕拉契山顶天文台的斯隆数字巡天望远镜，对星星们进行“户口普查”。斯隆望远镜直径2.5米，有640根光纤，能同时观测640个天体。1999～2005年，此项目的第一期观测共获得了67.5万个星系、9万个类星体和1.85万个恒星的光谱，目前所进行的第二期观测正在对24万个恒星进行光谱观测。

然而这些还不够。面对浩瀚无垠的星空，天文学家们想看得更深、更远，发现更多更暗的天体，进一步做好星星的“户口普查”工作，于是拉莫斯特望远镜诞生了。此前，斯隆数字巡天望远镜是世界上光谱观测量最大的望远镜，但是拉莫斯特能同时观测4000个天体，是斯隆数字巡天望远镜的5倍多，从而一举将斯隆望远镜的霸主地位取而代之。

拉莫斯特的全名在普通人听来非常拗口，叫做“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜”（The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope），拉莫斯特只是它英文缩写LAMOST的中文译名。

“所谓‘大天区面积’就是巡天。望远镜有两大类，一类是哈勃望远镜那种盯紧单个天体、观察细节的望远镜，这是现在大望远镜发展的一个趋势；还有一类就是拉莫斯特这种重视广度的望远镜，用普查的方式大规模观测天体，叫做‘巡天’，能为大量天文工作提供基本素材。如果用照相术语来说，前者是长焦镜头，后者是广角镜头。”拉莫斯特项目总经理、国家天文台研究员赵永恒告诉本刊记者，“哈勃之类的望远镜主要做成像观测，它能够发现新的天体，拍照记录天体的亮度和位置。拉莫斯特的目的既不是拍照也不是发现新的天体，而是要捕获已知天体的光谱，从中得到更多的信息。”

目前，由望远镜所拍摄的巡天照片已经记录下数以百万计的天体，但是它们中只有约万分之一的天体进行过光谱测量。学过中学物理的人都知道，每种原子都有自己的特征谱线，可以根据光谱来鉴别物质，确定其化学组成。虽然普通人压根儿看不明白光谱那心电图般的曲线，但是天文学家能从中读出很多信息，比如天体的化学组成、温度、压强、磁场、密度等。好比说，以前知道了有这个人，还要知道这个人的年龄、性别、种族、受教育程度、婚姻状况等等，拉莫斯特所做的，就是更进一步去“八卦”星星们的“隐私”。

目前，拉莫斯特正处于最后的验收阶段。验收完毕后，它将在兴隆观测站万里无云的晴夜里，缓缓打开圆拱和两片镜面之间的大门，接收来自遥远太空的点点星光，窥视宇宙中难得一见的秘密。37块蜂窝型镜片拼接而成的镜面就是它的眼睛，星光照到上面，通过拱形大门反射到斜上方另一块由24块蜂窝型镜片拼接而成的镜面上，再反射到它的视神经，于是它就可以“看”到了。焦面上安装的4000根光纤就是4000根视神经，来自每颗星星的光被每一条光纤收纳，随后被导入下面链接的16台光谱仪，通过分光得到每颗星星的光谱。

星星们的秘密，就在这里。

拉莫斯特的使命

星星们有什么秘密呢？

尽管人类对它们充满好奇并进行了不懈的观察，但是星星在很长一段时间内仍属于神秘学说的范畴。直到1825年，法国哲学家孔德仍在《实证哲学讲义》中断言：“恒星的化学组成是人类绝对无法得到的知识。”他试图以此来说明人类认识的局限性，但是这个预言在30年后就被天体光谱技术打破了。

光是人类了解宇宙复杂奥秘的指引，只要物体会辐射或者反射光，就能从中得知物体的很多性质。因此，天文学史可以说是人类学习如何解读光的历史。在天文学里，看得越远代表看得越古老，到达地球被我们看到的星光，实际上是那颗星星若干年前发出的光，你所看到的只是它若干年前的样子。

一旦知道光是了解宇宙的关键所在，人类便发明了各种仪器来捕捉各种不同形式的光并加以分析。拉莫斯特就是其中的一种仪器，而且它非常幸运，用国外天文学家的话来说，“世界上有很多成像巡天望远镜，但是缺少光谱分析巡天望远镜，拉莫斯特正赶上了好时机”。

拉莫斯特的观测目标是100万个星系、100万个类星体，外加1000万颗恒星的光谱，将会以更高精度的方式来确定宇宙的组成和结构。天文学家期待拉莫斯特回答天体物理和宇宙学中的重大基本问题，比如宇宙的结构、星系的形成和演化等等。对于这些物理问题的研究，必须依赖于大量样本的统计性质，才有可能从观测资料中确定哪些过程决定了宇宙中各种天体的性质，并从中寻找关键点。

“就拿银河系来说，对于它的结构我们并没有明确的想法。它包含了上千亿颗恒星，知道得越多就越可能推断出它是如何形成、演化的。通过拉莫斯特的观测结果，我们可以一颗星一颗星分析，从而形成海量数据后分类，比如银河系刚形成时有哪些元素，超新星爆炸后又有哪些元素，重元素如何越来越多，银河系是否一直在吞并周围的小星系……”赵永恒告诉本刊记者，“再比如，拉莫斯特得到的数据能够推算出星系的三维分布，用于分析关于宇宙的不同物理模型，包括宇宙大爆炸、暗物质、暗能量等等，对宇宙起源问题进行进一步认识。”

国家天文台研究员陈学雷则向本刊记者表示：“对于我所从事的宇宙学研究而言，希望通过观测大量星系的红移，确定在大尺度上物质的分布特征，再把这些特征与理论相比较，来确定暗能量的性质。”

按照国际惯例，望远镜获得的数据在头两年的保护期内会无偿提供给本国的天文学界使用，两年后对国际公开。陈学雷说：“过去做研究，我们主要是使用国外已发表的数据，这样很难有新的发现，只能是提出新的理论解释，或者比别人算得更准更细。如果我们有自己的数据，就可能会在研究上取得主动权，得到更好的成绩。拉莫斯特是我国第一台进入国际研究前沿的大型望远镜，希望它能帮我们做出重要的新发现。”
“拉莫斯特是光谱工厂，批量生产数据，天文学家可以根据课题下‘订单’，然后由我们提供‘产品’。”对于拉莫斯特日后的使用，赵永恒非常期待。

最富挑战性的设计

拉莫斯特在世界望远镜的队列中，除了是世界上光谱观测量最大的望远镜之外，头上还有两个光环。“一是它解决了大视场和大口径的矛盾，二是它完美地采用了主动光学技术，这是最富挑战性的设计。”拉莫斯特项目总工艺师李国平向本刊记者介绍。

目前，世界上进行巡天工作的望远镜基本都是施密特望远镜。这是上世纪30年代德国光学家施密特发明的折反射望远镜，用球面反射镜作为主镜，在球心处安放一块“改正透镜”，大大增加了望远镜的有效视场，在“巡天”工作中起到了无可替代的巨大作用。

“施密特望远镜的聚光能力随着口径的增大而增强，望远镜的聚光能力越强，就能够看到更暗更远的天体。但是，在制造望远镜时，追求口径就要牺牲视场，反之亦然。”视场小的坏处就是视限太窄，要对天体一个或几个的进行扫描。试想一下，如果用这种速度巡天的话，要巡到何年何月？

以前，只有反射型望远镜可以做到8～10米的大口径，并且计划发展到30～50米，但是斯密特望远镜只能做到直径1米多。“这是因为透镜镜片使用的是微晶玻璃，虽然热胀冷缩的情况下变形很小，但是越大加工越困难，以目前的加工技术只能做到1米多，并且非常昂贵。”李国平说。

后来，国家天文台苏定强院士想出个好办法，把施密特望远镜的透镜换成反射镜，变成反射型施密特望远镜。这样一来就解决了口径和视场的矛盾，将拉莫斯特建造成既能看得远又能看得广的超强望远镜。

这个改动听起来简单，但是过去为什么一直没有人提议？“这是因为当时主动光学的技术没有解决。”赵永恒说。望远镜在观测天体时，需要根据不同的任务调整观测角度，这样它的不同部位就会因为重力发生微小的变化。一旦镜面变形，就会使星像变得模糊，从而威力大减。“比如这张纸，手掌平托和斜托着它，它的弯曲程度会有微小的变化，要调节后面所施加的力来保持它在变化姿势时不发生形变。”赵永恒向本刊记者一边比画一边说，“即使是变化，也是微米级的变化，靠每块镜片后的3个支撑点进行调整。没有主动光学技术时，望远镜最大直径是5～6米，有了主动光学以后就发展到8～10米。”

除了这两大特点，还有让设计者们非常得意的地方。拉莫斯特焦面上的4000根光纤，可以看作是来自不同源头的“水渠”，光谱吸收系统就是“水库”，通过各个渠道引来光谱信息。这4000道水渠是并行的，通过计算机控制做出任何调整。和拉莫斯特相比，斯隆望远镜显得有点“笨”。斯隆望远镜的光纤要逐一手工插接在预先钻好孔的铝板上，再安装到望远镜上，既繁琐又浪费了大量金属材料，而且一旦出错难以弥补。比如斯隆第一期巡天任务就消耗了3000块光纤板，可谓一项浩大的工程。而拉莫斯特光纤定位系统则以相当大胆的设计，节约了材料、资金和时间，受到了一致好评。

当然，3亿元人民币打造的拉莫斯特也并非无所不能。作为一种光学天文设备，它既不能与20亿美元级的哈勃太空望远镜的“高空间分辨率”性能相比，也不能与每台1亿美元的“8米级”望远镜的精测能力相比。“但是拉莫斯特的大范本数据提供，也不是哈勃空间望远镜和‘8米级’望远镜所能做到的。”赵永恒告诉本刊记者。

实际上，并非天文学界人人都是拉莫斯特的“粉丝”。除了艰难的技术挑战之外，兴隆的观测条件也并非理想，比如大气扰动比较强烈、光污染越来越严重、刮来的尘沙会对光洁无暇的镜面造成损害等等。“但是兴隆已经是在可选范围内最好的选择，每年的平均可观测夜数不少于240天。如果将来能在青藏高原找到好的天文台台址，我们会考虑建造更大的拉莫斯特。”

而且，建造了一台先进的仪器也并不代表就会得出先进的成果。对此陈学雷表示，虽然拉莫斯特有自己的独到之处和先进性，但也面临着国外类似项目的竞争，人才、经验方面都有很大差距，也可能投入了大量的时间精力之后却发现，研究成果依然是外国人做出来的。“所以，我对拉莫斯特的认识比较客观，既有期待，但也不会太高。”他说。

不过，这毕竟是我国天文学追赶世界先进水平所迈出的第一步。唐纳德·约克先生就大赞拉莫斯特“非常美丽，也完成了技术上的突破”。在接下来的时间里它将开始运行，指引天文学家发现宇宙深处的美丽新世界。■

永远的“哈勃”

老兵不死，只是凋零。对于“哈勃”这个老兵，是否也会如此？

记者◎曹玲

一推再推的第五次大修

回忆起当年对哈勃太空望远镜进行的第一次维修，美国前宇航员杰弗里·霍夫曼（Jeffrey Hoffman）在电话那头接受本刊记者采访时依然十分兴奋：“那是我在太空最难忘的举动。1993年12月4日，航天飞机伸出遥控机械臂抓住了哈勃，把它固定在专用的支架上。第二天，我和另外一名宇航员斯托里·马斯格雷夫出舱进入太空。那感觉真的非常神奇，背对哈勃，面对茫茫宇宙，感觉像漂浮在无限的自由里。不过修复哈勃的任务也非常艰巨，操作要像外科医生一样精细。我把脚固定在平台上，和同事一起更换了3台陀螺仪，这可以让它在跟踪天体时保持固定的姿态。”

“事隔一天，我和马斯格雷夫又进行了第二次出舱修理，用新相机更换了旧相机，那是专为纠正哈勃的主镜误差而设计的。又隔了一天，我们进行了第三次舱外活动，更换了一个太阳能电池帆板的驱动装置，原来的装置会因为太空温度剧烈变化导致望远镜不停地颤抖。3次任务加起来，我一共出舱活动了24个小时，是整整一天。当时，我的两名同事还为哈勃戴上了‘眼镜’，那是一组由透镜组成的修正装置。如此，哈勃的视力就得到了矫正，从此改变了命运。”

那是1993年12月，哈勃升空3年半之后的第一次维修。当时美国航空航天局派遣7名宇航员乘坐“奋进号”航天飞机进入轨道修复哈勃，霍夫曼就是其中的一位。

如今，哈勃又面临第五次、也是它有生之年的最后一次大修。自1990年进入太空起，它已在天上飞行了18年，就像一辆开了18年的汽车，即便当年是如此之风驰电掣，现今也难掩力不从心的倦容。

修复时间因各种原因被一再推迟。美国航空航天局年初打算于年中进行修复，后又将时间推迟至10月中旬。然而10月底他们又宣布，因哈勃上的数据处理系统出现严重故障，无法正常存储观测数据并传回地球，将维修计划推迟到明年年初。

即将到来的第五次大修是哈勃延续生命的最后机会，宇航员将乘坐“亚特兰蒂斯号”航天飞机，从肯尼迪飞行中心出发，进入哈勃太空望远镜的轨道，捕捉并修理它。宇航员会更换被烧坏的巡天相机的电路板，这是哈勃的主相机，那些壮观、令人难忘的天文照片就是由它拍摄的。

正是这些图片勾起了公众对哈勃的热情。哈勃就像人类的眼睛，好奇地凝视着宇宙。它是第一个、也是唯一一个主要通过观测可见光来认识宇宙的望远镜，传回了无数完美清晰、绚烂多姿、细节丰满的宇宙图像。如果人眼能看得如此深远、真切，宇宙差不多就是如此。那些美妙的图片似乎富有智慧，不需任何注释便能给人带来震撼，让人在面对时不由自主地感慨：“这就是我们的宇宙！”不论图片展现的是什么，行星、稠密恒星区、华美的星云、壮观的星系碰撞，以及宇宙大尺度结构，每一幅图片都会引起你对宇宙空间的私人想象。

哈勃走进公众视线的过程和互联网的发展密不可分，当它拍摄的数字图像首次进入公众视界时，正值互联网的发展呈指数级增长。和其他有趣、免费的东西会在网上迅速流传一样，哈勃所拍摄的图片以无比绚烂的视觉效果，成为广大网民的屏保和桌面，悄悄走进普通人的生活。

事实上，我们头顶上还有20多个形态各异的太空望远镜围绕地球飞来飞去，提供各种宇宙视角，但是人们似乎视而不见，最宠爱的依然是哈勃。或许是因为其他太空望远镜局限在科研范围，只能观测那些人眼看不见的光波，其中有很多还因为大气层的缘故从未到达过地球。它们和哈勃不同，大多无法修复，零件磨损、陀螺仪失灵、电池耗干等硬件条件制约了它们的寿命，一般只有3～7年。而哈勃在设计之初，就已经被考虑到维护问题，身上的很多组件都可以比较容易地拆卸下来，到目前服役期限已经超过太空望远镜为期15年的平均寿命。

总之，哈勃就是比其他太空望远镜长寿，它的使用期限被一再延长，任何放弃它的计划都会遭到公众反对。2004年，也就是“哥伦比亚号”航天飞机失事后一年，美国航空航天局决定不再对哈勃进行维修。消息一出，愤怒的评论和信件像雪片一样涌进报纸和杂志的编辑部，电台和电视台的脱口秀节目也纷纷谴责美国航空航天局置哈勃于死地的行为，呼吁恢复修复哈勃的基金，让它多活几年。国会最终顺应民意，扭转了美国航空航天局的决定，为哈勃争取到第五次修复机会。

哈勃的财富

如果哈勃是个明星，也是那种一出道就丑闻缠身、后来通过自己的神奇天赋和刻苦努力而赢得万人宠爱和尊敬的明星。

哈勃进入太空后立刻成为万人瞩目的“首席天文台”，但是欢呼声刚过，它就进入了一段长达3年半的低谷期。天文爱好者都知道，那几年哈勃被讥讽为“科技小丑”、“一颗蒙羞的人造卫星废物”、“哈跛太空望远镜”（The Hobbled Space Telescope）。这是因为，它的主镜竟然出现球面相差，基本原因是主镜磨制错误，原本想要把70%～80%的光反射到聚焦良好的“光核”中，结果却只有小部分对准光核，其余均散布到光核周围的扩散光晕中。这样一来，到达哈勃的光线严重变形，导致最终拍摄的图片模模糊糊，算是一个非常小儿科的错误。美国航空航天局花了16亿美元，结果送了一个“近视眼”上天，帮他们“窥视”宇宙的秘密，真是贻笑大方。为此，和哈勃有关的很多工作人员始终感到抬不起头，被人在背后指指点点戳脊梁骨。

直到2003年底，霍夫曼和同事们对其进行修理后，哈勃才开始实至名归，成为最多产、最富有创造力的科学仪器。它每天都可以开工，不像地面上的望远镜会受大气影响，观测范围几乎涵盖太阳系内所有天体，原则上可以达到宇宙观测的极限。

1995年12月，哈勃用了10天时间感光，拍摄到一幅名为“哈勃深空”的图像。图像中的星系远在宇宙边缘，是大爆炸后不久宇宙形象的冻结。美国航空航天局将这幅被誉为“上帝之手”的照片递交给国会，是显示成绩最好的成绩单。

18年间，无数的研究论文使用了哈勃所得到的数据，高等教科书的内容一次次被哈勃改写，大学生们通过哈勃认识了新的世界和宇宙。这其中，它所做出的最重要的贡献是解决了持续数十年的宇宙年龄之争。之前，关于宇宙年龄的观测数据非常糟糕，无法得到天体物理学家的信任，有人认为宇宙是100亿岁，也有人认为是200亿岁。因为整个宇宙都在以已知的速率扩张，我们可以将时钟倒转，测定多久以前所有东西都在一个点上。哈勃通过精确测量遥远星团中某类恒星的亮度变化，代入一个简单的计算公式，告诉了答案：宇宙诞生于140亿年前。

此外，哈勃还证明了黑洞的存在。长久以来，研究人员一直怀疑一些大星系，比如我们银河系的中心有一个特大质量的黑洞正在吞噬恒星、星云和周边路过的物质。该中心存在如此密集的恒星，基于地球的望远镜只能看见由成百上千颗恒星挤成一堆的斑驳的星光。从太空中，哈勃望远镜高分辨度的图像让我们看到每一颗独立的恒星，以及它们围绕银河系中心的运动。那些恒星的移动速度远远超过正常值，似乎有一个小型的、看不见的强大引力牵引着它们。为了使方程平衡，研究人员得出结论：一个黑洞潜伏在银河系的中心。

在这18年，哈勃收获了无数鄙视的口水，也收获了满园芬芳的赞美。它被称为是各种眼花缭乱记忆的代言人，比如一个错综复杂的大工程、一次失败、一个制造奇迹的机器、一份工作、一件让人着魔的东西、美国航空航天局的未来、美国航空航天局的毁灭……不管它是什么，它的真实身份仍是一架口径2.4米、公共汽车般大小的太空望远镜。随着天文学家对观测的要求越来越高，它也开始力不从心。美国航空航天局计划于2013年发射小型火箭，推动哈勃落向太平洋，随后打捞出来送进博物馆。

正式退休之前，美国航空航天局已经替它选好了接班人，正在建造中的詹姆斯·韦伯望远镜将于2013年闪亮登场。它不像哈勃那样围绕地球旋转，而是飘荡在从地球到太阳背面150万公里的空间，因为离地面过远，即使出了故障也不可能频繁派人修理。韦伯望远镜的口径达到6.5米，面积为哈勃的5倍以上，观测性能将远超哈勃。但是它主要用于观测红外光，除了天文学家之外，它眼中的宇宙并不为人所知。所以，我们可能会依然怀念哈勃。■

穿越星空之眼

虽然历代天文学家已经取得了相当辉煌的成就，从月球与地球之间的大体距离，到行星轨道，但大部分公众仍然认为恒星和行星不过是天幕中发光的亮点，而大地则是一片平坦。毫无疑问，没有令人信服的视觉证据，天文学家仅依靠数学计算与推测无法让人类对于宇宙的认识更进一步。于是，在1609年，一种仪器诞生了，从而彻底改变了我们认识整个外部空间的进程。

记者◎朱步冲

终结地心说的小发明

故事的开始总是沉闷的。1576年，丹麦天文学家第谷·布拉赫在丹麦和瑞典之间的海岛上建立了第一个现代意义上的天文台，做一系列仔细的火星观测记录。23年后，与丹麦国王闹翻的第谷来到布拉格，年轻的德国天文学家约翰·开普勒充当了他的助手。借助导师丰富的观察手记，开普勒发现，假如火星是沿着某个椭圆轨道围绕太阳运动，而太阳正好处于椭圆某个焦点位置，那么就与第谷的观测结果非常吻合。1609年，他出版了《新天文学》，详细阐述了自己的想法。几乎与此同时，荷兰泽兰省米德尔堡市一位眼镜制造商汉斯·里帕席的店铺里发生了一件有趣的小事：一个淘气的学徒在无聊时，将陈列的各种透镜轮流从橱窗里拿出来把玩，结果无意中发现，如果将两块透镜以一远一近的顺序放在眼前，那么远处的教堂塔楼、风车等景物会变得又大又近。当里帕席发现学徒的把玩后，他立刻明白，这个东西可能具有不可思议的广泛用途。他将两块透镜安放在一根金属管内，把这个新奇玩意命名为“窥器”，而希腊籍数学家、罗马红衣主教的书记爱奥亚尼斯·狄米亚西尼，则建议应当称呼它为“望远镜”（Telescope），这个词在希腊文中的原意为“在远处看”。

此前，光学透镜在人类文明发展的潮流中只是时隐时现，考古学家们曾在克里特岛和小亚细亚出土过制造于公元前2000年左右的粗糙透镜。公元10至11世纪时，著名的阿拉伯物理学家、居住在巴士拉的阿尔哈曾就在自己的著述中提到过光的折射原理，并初步对透镜的放大功能做出了阐述。13世纪初，牛津大学圣方济各会修士约翰·皮克汉姆根据阿尔哈曾的研究，写过一部简略的《透视法》。最初在荷兰、比利时与意大利城市中制造的透镜被用来制作最初的眼镜，罗杰·培根就曾是最早一批眼镜的受益者。

里帕席的发明问世后，除了在军事上被热衷于摆脱西班牙控制的荷兰联省军队用于侦察外，也引起了学者们的好奇，其中就包括在意大利帕多瓦担任数学教授的伽利略·伽利雷。就在里帕席发明望远镜的同一年，他在游历威尼斯的时候也观察到了这个新鲜玩意，于是用一块平凸透镜和一块平凹透镜制造了自己的望远镜。凹透镜在靠近眼睛的一侧，称为目镜，而凸透镜则被称为物镜。当他最终将自己长1.2米、直径4.4厘米的望远镜指向月球时，他看见了一个粗糙的表面，有山脉，表明希腊天文学中关于天体超凡完美的假设与事实大相径庭。不仅如此，伽利略进一步推论说，既然月亮和地球如此相像，而月亮会沿着某个轨道运动，那么地球也不排除这样的可能性。

1610年，声名日隆的伽利略前往佛罗伦萨，担任托斯坎尼公国的宫廷数学家和哲学家，据说原因在于伽利略聪明地把观测到的四颗木星卫星命名为美第奇星，以讨好这个统治托斯坎尼的意大利豪门世家。在那里，伽利略借助望远镜的观察，使得托勒密天文学的论断不断崩溃：比如托勒密理论的拥护者指出，如果哥白尼的理论成立，那么随着地球在空间中的移动，恒星在天球中的位置也应变化。这种情况在天文学依赖肉眼观测的时代并没有发生，然而望远镜观测的结果表明，恒星太遥远了，以至于位移根本无法察觉——在透镜中，恒星仍然没有显示成为球体，而仍然是一些光点，这个结果对于哥白尼的理论是极端有利的。1610年8月，伽利略宣布，金星也拥有类似月亮月相一样的位相，证明金星和这颗地球的卫星一样，是个黑暗的天体，它的光亮来自太阳，并且按照椭圆轨道围绕太阳转动。次年他又宣称太阳也并非永放光芒、完美无瑕的天体，因为它拥有难看的瑕疵——太阳黑子。尽管这些离经叛道的妄言最终导致他于1633年，被迫在罗马圣玛利亚修道院的大厅里向10位枢机主教忏悔，接受了被终身监禁的判决，但真正被宣判败诉的，却是人类陈旧的地心宇宙观——200年来的权威，被一名孤立的观测者借助一架简陋的仪器在3年内打败。1642年，双目失明的天文学家在佛罗伦萨附近的阿切特里去世，而正是在这一年，另一位在揭示宇宙运行真相方面同样重要的人物艾萨克·牛顿诞生了。

伽利略精神的继承者

1638年，英国天文学家威廉·盖斯科因发明了测微器，精确测量出恒星的角宽度。1670年，英国钟表匠威廉·克莱门特制造出了第一台长摆钟，可以在探测距离方面得出前所未有的精确结果。出生在意大利的法国天文学家乔凡尼·多美尼科·卡西尼与助手让里歇分别在巴黎天文台与位于南美洲的法属圭亚那的卡宴两地进行观测，计算出太阳与地球的距离达到了惊人的1.4亿公里，而非自希腊时代以来就一直被天文界奉为圭臬的800万公里。并且借助时钟和测微器，天文学家们第一次可以通过角宽度换算来了解天体的体积：金星约与地球一般大，而木星的直径却比地球宽了大约11倍，至于太阳，它的直径居然是130万公里，超过地球100倍。

如同欧洲政治霸权的争斗那样，巴黎天文学家最强劲的对手来自英国。1663年，爱丁堡的詹姆斯·格里高利设计出了第一台反射望远镜，这件发明的诞生确是有现实的需要：传统的伽利略或开普勒式折射望远镜已经长达40米以上，越来越难驾驭，并且无法解决诸如天体色差等问题。而格里高利则发现，两个椭圆面反射镜对光线进行反射并重新聚焦后，产生的天体形象较之以往有了相当的提高。1668年，年仅27岁的剑桥大学圣三一学院学生、赋闲在林肯郡家中的艾萨克·牛顿，依照格里高利的思路改良了自己的反射望远镜。该望远镜由一面铜锡砷合金主镜、一面平面反射镜和一面目镜组成，虽然仅长6英寸，但能够产生放大40倍的物象。1675年，一群皇家学会的学者，由天文学家约翰·弗拉慕斯蒂德领衔，向国王查理二世要求建立一座专用的固定天文台，以便更好地计算经纬度，来指导在大洋上航行，帮助为英帝国带来财富的商船队与海军舰队的航行。吝啬的国王任命弗拉慕斯蒂德为第一任御前天文学家，支给他一小笔薪水，责令其在伦敦东南郊区的格林威治建立一座天文台。弗拉慕斯蒂德为了这所日后世界天文观测的权威中心耗尽了心血和积蓄，以至于1719年去世时，冷酷的债主甚至闯进格林威治，拿走了部分仪器用以抵偿他生前未能还清的债务。

在与弗拉慕斯蒂德一同进入格林威治的第一批英国天文学家中，还包括年轻的埃德蒙·哈雷。1676年，年仅20岁的哈雷就带着一架24英尺的望远镜和计时器，跑到了南大西洋上的圣赫勒拿岛，在坏天气和热病的折磨下整整度过了两年，详细记录下了南部天球上341颗恒星的精确位置。今天，他被全球天文爱好者所熟悉，是因为他成功地预测了人类有史以来首颗有记录的周期彗星哈雷彗星（1p/Halley）的回归周期。在此前，彗星还被认为是由上帝直接控制的天象，其出现则预示着灾难与巨变。哈雷更大的贡献在于通过长期观测，于1718年提出，至少有3颗亮度极大的恒星——天狼星、大角星与毕宿五的位置，都与托勒密或同时代希腊天文学家记载的位置相差甚多，由此证明了哥白尼的假设——以往被假定为位置恒定的恒星，也是拥有自身运动轨迹的。

反射望远镜的胜利

在牛顿之后的200年中，天文学家们取得了相当大的成就：从获悉彗星的光谱、精确地观测到火星表面到日珥的发现。然而无论是反射还是折射式望远镜，技术仍然处于相对的停滞状态。直到1879年，英国天文学家安德鲁·安斯利·康芒将一片直径36英寸的镀银反射镜装入了自己的天文望远镜。

在康芒之后，改良的反射望远镜迅速使天文学家的视野拓展到了前所未有的程度，美国以其雄厚的工业力量和财富成为探索宇宙的新兴中坚力量。从1919年开始，埃德温·鲍威尔·哈勃借助加州威尔逊山镜面直径达100英寸的胡克天文望远镜，利用星系光谱计算，得出了一个创造性的结论：众多星系在以惊人的速度远离我们。最简单可信的解释就是整个宇宙正在膨胀，每个星系与近邻之间的距离都在加大。到今天，“哈勃定律”已经被视为整个天文学观测的基本定律，也是人类有史以来得出的第一个关于宇宙整体的基本变化趋势。在这一成就的刺激下，更多大型反射望远镜竞相出现，最终，于1948年6月落成、被安装在威尔逊山附近帕洛伊玛山、镜面直径200英寸、以美国天文学家乔治·艾利·海尔命名的“海尔望远镜”，成为反射型望远镜历史上的巅峰之作。它能拍摄到暗至23等的天体（亮度只有肉眼可见最暗天体的六百万分之一），最远能探测到距离地球远达几亿光年的暗弱星系——这样的成就在令人赞叹的同时，也明白无误地表示，利用可见天体发出的光芒作为窥视宇宙的手段，已经走到了尽头。倘若人类还要更进一步，就势必要出现一场全新的天体观测技术革命。

从光到微波

具讽刺意味的是，这种全新手段早在19世纪初就具备了雏形。1800年，曾发现了天王星的英国天文学家威廉·赫歇尔在测量太阳光谱不同部分的热效应时，曾发现，如果把温度计放到光谱红端的外侧时，热效应仍然持续上升，于是这些不能被肉眼所观察到的光线就被命名为“红外辐射”。70年后，苏格兰数学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦建立了完整的电磁理论，并证明，作为一种电磁辐射的光，只占据了“电磁波谱”中很小的一个部分，仿佛一整副扑克中为数不多的几张。由此，天文学家们很快就相信，除了可见光，太阳和其他行星发射的其他辐射肯定承载了更多的有用信息。1932年，就职于贝尔实验室的无线电工程师卡尔·古特·央斯基在新泽西州的荷尔姆德尔建造了一批巨大的、能够旋转方向的矩形金属天线阵，试图发现哪些因素会干扰无线电波。1932年1月，央斯基被一种每隔23小时56分4秒出现最大值、且始终稳定的无线电干扰迷住了。最终，他发现这股神秘的电波来自宇宙，大约是银河系的中心位置，于是，这套粗陋的金属天线就成为世界上第一台射电天文望远镜。尽管“二次大战”的爆发严重阻碍了射电天文探测的发展，但在战争中迅猛发展的雷达技术，却在战后“补偿”了这段长达6年的停滞。

用微波回波探测技术，天文学家可以窥探那些以往面貌不清的行星的真容，比如一向被浓云遮蔽的金星。1965年，第一张粗略的雷达金星图被绘制出来，它显示这个星球上拥有山脉和类似峡谷一样的地貌。同样，不同回波波长的变化，可以计算出天体接收微波的地点是在接近还是在远离我们，从而可以借助计时器测算出行星自转的速度，比如金星自传周期为243.1天，水星则是59天。

借助这些形态各异的天线组合，我们首次能够了解到在宇宙中最遥远的地方，和最久远的过去所发生的一些令人惊奇的事情。1971年发现的类星体OH471，与地球的距离竟然达到120亿光年，并正在以约等于光速90%的速度远离我们——也许人类已经探测到了发生在上百亿年前宇宙大爆炸时代的情景。同样，生命的起源，似乎也能从这些微波中窥见端倪。在弥漫的尘埃云和气体云中，95%的成分无法借助光学望远镜和光谱仪“看”到，然而借助特定原子或原子组合发射的微波波长，却能像追踪罪犯指纹那样，利用射电望远镜分析它们的成分。1968年，加州大学的观测者们测到了来自星际空间水分子和氨分子所特有的波长，证明即便在条件最苛刻的外层空间中，仍然具有一些处于向最简单生命形态进化的东西。