47、紫外、光学和红外波段的太空望远镜

紫外、光学和红外波段的太空望远镜

在天文观测领域，地面望远镜和太空望远镜各有其独特的优势和局限性。在某些情况下，观测受背景辐射的限制，特别是当目标天体比背景暗很多时。在光学波段，太空望远镜和地面望远镜曝光时间的差异主要源于太空望远镜能实现更清晰的分辨率，这能显著减少未分辨孔径内的背景贡献；而在近红外波段，地面望远镜更容易实现衍射极限性能，此时差异主要是由于太空中背景辐射更低。

1. 超高对比度成像

下一代望远镜令人兴奋的科学目标之一，是直接探测宜居类地行星并寻找光谱生物标志物，即系外行星上生命的迹象。在比较太空望远镜和地面望远镜时，我们来探讨一下理想地面望远镜（采用自适应光学系统校正）的理论极限，并评估其探测和测量距离地球约10秒差距（约32光年）恒星附近类地行星的能力。

在短波长（λ ∼1 µm）寻找生物标志物有很强的动机。在760纳米处有很强的氧波段，还有其他潜在生物标志物，如臭氧、植被的“红边”和瑞利散射。无论是太空观测还是地面观测，检测这些生物标志物都需要使用日冕仪来抑制中心恒星的光通量。同时，观测还需要足够的图像质量和稳定性，以测量与母恒星仅相距0.1角秒、光通量仅为恒星10⁻¹⁰的行星。

在实验室中，日冕仪技术与高保真自适应光学系统结合，已证明能达到这种抑制水平。那么问题来了，如果配备10¹⁰的日冕仪，“近乎完美”的太空望远镜和地面望远镜表现会相当吗？

在地面上，必要的观测需要比典型自然视宁度（约0.5角秒）高得多的空间分辨率，因此需要用自适应光学系统进行大气校正。即使有完美的自适应光学系统，其理想性能也会因波前传感可用光子数量有限而受到根本限制。对于大多数天文观测，可通过精心选择观测目标、改进波前传感探测器和/或使用激光导星来