如果未来科技让望远镜继续发展，我们还能看到什么？

如果未来科技让望远镜继续发展，我们还能看到什么？

大家好！我是来自中国科学院高能物理研究所高海拔宇宙线观测站“拉索”实验团队的陈松战。非常荣幸能够回答这个问题：“如果未来科技让望远镜继续发展，我们还能看到什么？”虽然这个问题非常宏大，作为科技工作者，我仍愿意以有限的知识尽力畅想未来天文观测的前景。

人类自古就对浩瀚星空充满好奇，试图通过各种手段探索宇宙奥秘。从科学发展的角度来看，人类对宇宙的探索主要依赖四种信使：电磁波、宇宙线、中微子和引力波。

电磁波观测

电磁波是普通大众最为熟悉的观测手段，其频率范围从低于0.01Hz到超过1030Hz，包括射电、红外、光学、紫外、X射线和伽马射线等不同波段。1609年伽利略发明光学天文望远镜，开启了现代天文学的新纪元。1940年射电望远镜的出现，推动天文学进入了全电磁波段观测时代。

目前国际上知名的电磁波望远镜包括：普朗克望远镜（Planck，用于观测宇宙微波背景辐射）、詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST，近红外波段）、哈勃空间望远镜（HST，光学波段）、盖亚全天天体测量干涉仪（Gaia）、钱德拉X射线天文台（CXO）和费米伽马射线太空望远镜（Fermi）等。

中国在电磁波观测领域也取得了重要进展。例如，位于贵州的500米口径球面射电望远镜（FAST）、河北兴隆的郭守敬望远镜（LAMOST）、空间的慧眼（HXMT）和爱因斯坦探针（EP），以及四川稻城的高海拔宇宙线观测站（LHAASO）。值得一提的是，2021年LHAASO发现了12个能量超过100TeV的超高能伽马射线源，开启了超高能伽马天文学时代。

引力波观测

引力波是物质和能量剧烈运动产生的物质波，爱因斯坦在1916年基于广义相对论预言了其存在。2016年，美国激光干涉仪引力波天文台（LIGO）首次探测到由恒星级双黑洞并合产生的引力波，开启了引力波天文学的新时代。

中国科学家也提出了“天琴”与“太极”两个空间引力波探测计划，旨在拓展引力波的探测频率范围至低频区。2023年，FAST基于脉冲星测量首次间接观测到纳赫兹引力波存在的证据，这可能是由超大质量黑洞合并引发的。

宇宙线观测

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子，主要由各种原子核组成，也包含少量电子。奥地利物理学家赫斯于1912年首次发现宇宙线。由于星际磁场对宇宙线的偏转影响，很难直接推断其起源天体。然而，宇宙线是目前人类能够获取的太阳系以外唯一的物质样本，在星系演化过程中发挥着重要作用。

国际上著名的宇宙线望远镜包括空间的阿尔法磁谱仪（AMS，由丁肇中先生领导）和中国的“悟空”（DAMPE），以及地面的LHAASO和南美洲的极高能宇宙线探测器（AUGER）。宇宙线实验的核心科学问题包括破解宇宙线的起源和加速机制，同时宇宙线探测也是探索暗物质的重要途径。

中微子观测

中微子是一种穿透力极强的中性基本粒子，在星体演化和超新星爆炸中扮演重要角色。由于其超强的穿透性，中微子极难探测，目前主要通过天然大容量的水或冰进行探测。低能区有日本的超级神冈中微子探测实验（Super-K），高能区则有南极冰层中的冰立方实验（IceCube）。虽然冰立方已经探测到宇宙中的弥散中微子，并在几个天体中发现高能中微子迹象，但至今尚未确定一个明确的高能中微子辐射天体。中国高能所LHAASO团队提出了未来高能水下中微子望远镜计划（HUNT），计划将探测器规模从现有的1立方公里提升至30立方公里，以期真正打开高能中微子天文观测的新窗口。

未来望远镜技术的发展方向

无论是哪种信使的探测，望远镜的性能主要由两个指标决定：灵敏度和角分辨率。灵敏度决定了望远镜能观测到的最弱天体的亮度，角分辨率则表征探测器成像的清晰度。历史经验表明，每次望远镜技术的突破，都能揭示宇宙的新面貌。

随着技术的进步，我们有望观测到更多天体，发现更多超预期的天文现象，探测距离也会越来越远。不同信使和波段的观测将呈现不同的天文现象，未来高能中微子观测窗口的开启，将为人类展现一个全新的宇宙面貌，使我们对宇宙的理解更加丰富和清晰。

2021年《科学》杂志发布了《125个科学问题：探索与发现》，其中23个涉及天文学，包括宇宙的形状、构成、未来、大爆炸的开始、宇宙中的生命体、宇宙线的起源、宇宙高能中微子起源等。随着望远镜技术的发展，我们有望揭示这些困扰人类多年的天文难题。这些探索也将推动我们对自然界基本物理规律的研究，进而促进航空航天技术的进步。展望未来，人类或许有一天能够乘坐飞行器自由穿梭于星辰大海之间，真正实现遨游宇宙的梦想。

本文原文来自中国科学院高能物理研究所，作者陈松战