百亿光年外的星光，人类靠哪些设备捕捉宇宙信号

一、仰望星空的千年追问

从远古时代起，人类就仰望着满天繁星，思考着一个问题：那些遥远的光点到底是什么？它们离我们有多远？又隐藏着怎样的秘密？

要回答这些问题，我们需要“抓住”从百亿光年外传来的星光。这有多难？想象一下，你站在地球上的体育场里，想要接住从对面城市飞过来的一粒沙子——而且这粒沙子还极其微弱、几乎看不见。

人类用了数百年时间，发明了一整套精密的“捕星工具”，终于把那些来自宇宙深处的微弱信号，一点点捕捉到了手中。

图1：人类捕捉宇宙信号的“工具箱”

二、光学望远镜——宇宙的“大眼睛”

光学望远镜是人类最古老的“捕星工具”，它收集的是我们肉眼能看到的光。

1609年，伽利略第一次把自制的望远镜指向天空，发现了木星的四颗大卫星，彻底改变了人类对宇宙的认知。进入20世纪，人们还把望远镜送上了太空，而星载光学望远镜的镜面则越来越大——从几厘米到如今的6.5米（詹姆斯·韦布太空望远镜的金色主镜）。镜面越大，能收集的光就越多，看到的宇宙就越遥远、越古老。

韦布望远镜在2022年拍摄到的“詹姆斯·韦布深场”，其中绝大多数光点是一个个星系，最远的星系光线走了超过130亿年才到达我们眼中——相当于看到了宇宙婴儿时期的模样。

三、射电望远镜——听见宇宙的“耳朵”

宇宙中许多天体不仅发出可见光，还发出无线电波。这些无线电波可以穿透尘埃，带我们看到光学望远镜看不到的东西。

射电望远镜就像一只巨大的“耳朵”，专门收集来自宇宙的无线电波。它的外形通常是一个巨大的金属圆盘，把微弱的无线电波汇聚到接收器上。

图2：“中国天眼”FAST

中国的“中国天眼”FAST（500米口径球面射电望远镜）是目前世界上最大的单口径射电望远镜，位于贵州深山之中。它的灵敏度极高，已发现900 多颗新脉冲星，也可以帮助我们更好地理解宇宙的极端物理环境。

四、X射线望远镜——穿透尘埃的“X光眼”

宇宙中一些最剧烈的事件——比如黑洞吞噬物质、中子星碰撞——会释放出高能的X射线。但地球大气层会吸收X射线，所以我们必须把X射线望远镜送到太空中去。

中国的“慧眼”卫星（HXMT）是我国首颗X射线天文卫星，它能够观测黑洞和中子星周围的X射线爆发，帮助科学家研究这些致密天体的极端物理过程。

五、黑洞与星系的探测手段

黑洞本身不发光，我们怎么知道它存在？科学家通过几种方式“间接”捕捉黑洞的信号，第一种是看它周围。当黑洞吞噬附近的恒星或气体时，物质会形成一个高速旋转的“吸积盘”，温度极高，发出强烈的X射线。X射线望远镜就能捕捉到这些信号。第二种是听它“振动”。当两个黑洞合并时，会在时空中激起“引力波”——就像石头投入水面产生的涟漪。2015年，人类首次探测到引力波，开启了观测宇宙的全新窗口。

星系不是一成不变的，它们会形成、成长、碰撞、合并。天文学家通过“红移”现象来追踪星系的演化历史。

当宇宙膨胀时，星系发出的光波会被拉长，颜色向红色端偏移——距离越远的星系，红移越大。这意味着我们看到的遥远星系，就是它们年轻时的模样。通过观测不同距离（即不同时期）的星系，天文学家可以拼凑出星系从诞生到成熟的完整“成长日记”。

图3：X射线观测、引力波探测与红移原理

从伽利略的简陋望远镜，到韦布的金色巨镜；从FAST的深山巨耳，到“慧眼”的太空锐瞳——人类用来捕捉宇宙信号的设备越来越强大，让我们得以望向越来越遥远的深空。

每一次新设备的发射，都像是给人类装上了一种新的“感官”，让我们听到、看到、感受到以前从未感知过的宇宙之音。百亿光年外的星光，正在被人类一点点解读。而这部宇宙史诗，才刚刚翻开序章。

来源：科普中国