光学天文望远镜400年
12112010/10/15天文与空间科学 IP:四川
光学天文望远镜400年

卞毓麟

   关于天文望远镜的历史,有几本书很值得一读。例如,《望远镜的历史》(The History of the Telescope)是1950年代出版的一部经典之作[1]。有两部《洞察宇宙的眼睛》(Eyes on the Universe)[2,3],是两位享誉世界的科普大家的作品,均极具可读性。而《观天巨眼——天文望远镜的400年》[4]是我国天文学家兼天文普及家温学诗和吴鑫基的最新力作,也是国人详述望远镜发展史的第一部原创作品。《望远镜:它的历史、技术和未来》(The Telescope: Its History, Technology, and Future)[5]是近来颇有影响的一部英文著作。

   按观测波段的不同,天文望远镜可分为光学望远镜、射电望远镜、红外望远镜、紫外望远镜、X射线望远镜和γ射线望远镜。光学望远镜在电磁波谱的可见光区(有时还包括部分近紫外和近红外波段)进行天文观测。在不致引起混淆的情况下,人们往往把“光学天文望远镜”简称为“天文望远镜”,或径称“望远镜”。光学天文望远镜的历史远较其他波段的望远镜更为悠久,迄今获得的信息总量也远较其他波段的望远镜更为丰富。2009年适逢光学天文望远镜发明400周年,本文特对其历史作一简介。

   望远镜的童年

   在意大利,公元1300年前后已开始用凸透镜制作眼镜。它有助于矫正远视,俗称“老花镜”。与此相反,凹透镜有助于矫正近视。公元1450年前后,近视眼镜也开始使用了。

   相传1608年的某一天,在荷兰眼镜制造商利帕希(H. Lippershey)的店铺里,有个学徒将两块透镜一近一远放在眼前窥视四周聊以自娱。结果,他惊讶地发现,远处的物体仿佛变得又近又大了。利帕希立刻明白了这项发现的重要性,并将两块透镜装入一根金属管中固定。这种装置曾有过许多不同名称,但唯有“望远镜”(telescope)一词沿用到了今天。

   利帕希的望远镜出名后,又有其他人宣称自己才是真正的发明人。可是,他们却未用望远镜做过什么有意义的事情。利帕希将望远镜献给政府作为战争装备,从而使荷兰海军在与西班牙的交战中占据了有利地位。

   1609年5月,意大利科学家伽利略得知荷兰人发明望远镜的消息,很快便研制出了自己的望远镜,它们就是人类历史上的首批天文望远镜。凭借这种新的利器,伽利略发现了月球上的环形山,发现了太阳黑子及其在日轮上的位置变化,发现了木星的4颗大卫星,发现了金星的盈亏圆缺,还发现银河由无数星星密密麻麻聚集而成。这些发现有力地支持了哥白尼在半个多世纪前提出的“日心说”,同时还使人认识到,宇宙要比原先以为的更加丰富多彩,也更为复杂、浩瀚。

   玻璃对不同颜色的光具有不同的折射能力,这种性质称为色散。红光通过凸透镜后折射最少,聚焦在离透镜较远处;橙、黄、绿、蓝、紫光则依次聚焦在越来越接近透镜的地方。于是,无论你如何调焦,物像四周总会有一个色斑。它使观测目标显得模糊了。

   光学系统的实际成像和理想成像状态的差异,称为该系统的像差。像差有两大类:对单色光而言的“单色像差”以及如上所述的“色差”。单色像差又可区分为球差、彗差、畸变、场曲和像散。例如,球差使理想像平面中各像点都成为同样大小的圆斑,彗差使物点的像成为形状宛如彗星的弥散斑等。为了提高望远镜的成像质量,必须千方百计地消除光学系统的种种像差。

   用两种不同的玻璃制成复合透镜,有可能消除色差。设想先用一块凸透镜使光线会聚,再用一块凹透镜使光线稍微发散。当然,由于凹透镜的发散作用,这时的光线就不如仅仅通过凸透镜时会聚得厉害了。事情的要害在于,如果用来制造凹透镜的玻璃的色散本领比制造凸透镜的玻璃大,那么虽然凹透镜发散光线的能力并不足以抵消凸透镜的会聚,但是透镜的组合效果却可以消除单一凸透镜的色差。

   1733年,英国律师兼数学家霍尔(C. M. Hall)首先用冕牌玻璃做凸透镜,火石玻璃做凹透镜,由它们组成“复合透镜”在很大程度上消除了色差。1757年,英国光学仪器商多朗德(J. Dollond)造出了自己的消色差透镜,并获得了相应的专利。

   早期的折射望远镜为了尽量减小球差,就采用表面弯曲程度非常小的透镜。但此时光线会聚到焦点就必须经过很长很长的距离。例如,17世纪中叶,法国巴黎天文台的创始人卡西尼(G. D. Cassini)就造了一架长逾40米的折射望远镜。直到1722年,英国天文学家布拉德雷(J. Bradley)还在使用一架长达65米的折射望远镜。这种长镜身望远镜使用起来极不方便。幸好,用不同玻璃巧妙配合制成的复合透镜,不仅可以消除色差,而且还能消除球差。因此,消色差透镜发明后,长镜身的折射望远镜便寿终正寝了。

   光线从一个凹面镜上反射,也会发生会聚。反射镜以完全相同的方式反射所有各种颜色的光,因此不会产生色差。1668年,26岁的牛顿制成人类历史上第一架真正实用的反射望远镜。其口径仅2.5厘米,焦距约16厘米,放大倍率却超过30。1672年1月,他把口径5厘米的第二架反射望远镜送到英国皇家学会,它被一直保存到了今天。

   十八、十九世纪的进展

   早期的反射镜都是用金属做的,反射率不高,而且会逐渐失去光泽,需要经常抛光。不过,当时铸造大块的金属要比制造大块优质的玻璃更容易,因此反射望远镜可以比折射望远镜做得更大。况且,玻璃透镜必须通体完好无瑕,金属反射镜却只要镜面形状恰当就可以了。

   反射望远镜和折射望远镜各有优劣,它们都在努力克服自身缺陷。到了18世纪后期,由于赫歇尔(F. W. Herschel)杰出的工作,竞争的优势渐渐倒向了反射望远镜。

   赫歇尔1738年生于德国北部的汉诺威,1757年移居英国。他本是一名音乐家,却把大量时间用来钻研语言、数学、光学,并产生了用望远镜亲眼观看各种天体的强烈愿望。他从1770年代中期开始潜心于制造反射望远镜,并在天文学的许多领域取得了大量开创性的研究成果。例如,1781年他在人类历史上破天荒地发现了一颗新的行星——天王星。1789年,赫歇尔建成一架口径1.22米、焦距12.2米的大型反射望远镜。这架当时世界上最大的望远镜,一时间成了备受推崇的珍奇,国王和外国天文学家都是前来参观的常客。1821年,他被选为英国天文学会(皇家天文学会的前身)首任主席。该会的会章图案,就是他那架巨炮似的大望远镜。赫歇尔是历史上最伟大的全能天文学家之一。正是他证实了银河系的实际存在,证实了太阳在银河系中的“本动”,发现了大量的双星、星团和星云,从而使人类的视野远远地越出太阳系,进入更加广阔的恒星世界。

   1845年,爱尔兰的第三代罗斯伯爵(Third Earl of Rosse)建成了一架口径1.84米的反射望远镜。其镜面仍是金属,重3.6吨;镜筒直径2.4米,长17米。它因躯体硕大无朋而获得了“列维亚森”(《圣经》中的巨怪)的称号。罗斯用它发现星云M51似呈旋涡状,这是人类知道的第一个旋涡星云。他还发现星云M1内部贯穿着许多不规则的明亮细线,貌似一只螃蟹,故称其为蟹状星云。日后的事实证明,这两项发现都具有头等重要的意义。

   与此同时,折射望远镜也在昂首阔步地前进。19世纪初,德国光学家夫琅和费(J. von Fraunhofer)造出了当时世界上最大最好的消色差折射望远镜,其口径为24厘米。望远镜被装在一根轴上,使之可以俯仰;轴又装在一个轮子上,使之可沿水平方向转动。它的平衡装置非常精妙,以至于用一个手指就可以推动它那长4.3米的镜身。

   天体照相技术的兴起是天文学史上的一件大事。其先驱者之一、美国天文学家邦德(W. C. Bond)于1849年用一架口径38厘米的折射望远镜拍摄了月球照片。在曝光20分钟期间,望远镜靠钟表机构带动,始终对准月球。1851年,在伦敦举办的第一届世博会上,这幅照片引起了巨大的轰动。

   1870年代,美国的克拉克(A. Clark && A. G. Clark)父子俩为美国海军天文台建成一架口径66厘米的折射望远镜,其透镜重达45千克,镜身长13米,在当时堪称冠世之作。

   1874年,美国一位金融家利克(J. Lick)宣称,欲出资建造一架世上最大最好的折射望远镜。工作主要由小克拉克承担。1888年,这架利克望远镜正式启用,其透镜口径达91厘米,镜筒长18.3米。

   1868年出生的美国人海尔(G. E. Hale),20多岁时就任芝加哥大学天体物理学助理教授。他获悉金融家叶凯士(C. T. Yerkes)用不太正当的手段赚得了巨额钱财,便设法游说叶凯士把钱一点点地掏出腰包,用来发展天文学。

   海尔向小克拉克订购的透镜于1895年磨制完成,其直径达1.02米,重达230千克。整个望远镜长18米,重达18吨,但是平衡极佳,用很小的推力就可以操纵它对准天空的任何方向。1897年,这架叶凯士望远镜首次启用。如今,它和利克望远镜依然是折射望远镜的世界冠军和亚军。

   传统技艺的极限

   折射望远镜攀上顶峰,它的路也到了尽头。首先,极难得到可用于制造巨型透镜的完美无暇的大块光学玻璃。其次,因为光线必须透过整块玻璃,所以透镜只能在边缘上支承。巨型透镜分量重,其中央部分得不到支撑就会凹陷,整块透镜就会变形。透镜的尺寸越大,变形问题也越严重。另一方面,在海尔的不懈努力下,反射望远镜取得了更加辉煌的胜利。

   20世纪初叶,在玻璃表面镀铝以提高反射率的技术有了长足进步。从此,在制作反射镜时,玻璃镜坯就取代了金属镜坯。1908年,海尔建成一架口径1.53米的反射望远镜,其镜子就是玻璃的。它安装在加利福尼亚州的威尔逊山天文台上,该台的台长就是海尔本人。

   在此之前,海尔已经说服一位洛杉矶商人胡克(J. D. Hooker),出资建造一架世界上最大的反射望远镜,其口径为2.54米(100英寸)。从1917年11月启用开始,长达30年之久,这架胡克望远镜一直是世界上的反射望远镜之王。它为天文学作出了卓越的贡献。正是利用这架望远镜,美国天文学家哈勃(E. P. Hubble)于1924年有力地证实了,那些旋涡星云原来都是与我们这个银河系类似的庞大恒星系统,人类的视野从此扩展到了距离太阳系数十亿光年之遥的星系世界;还是利用这架望远镜,哈勃于1929年发现,河外星系光谱线的红移同它们的距离成正比,从而发现了星系正在相互远离,为宇宙正在膨胀提供了有力的天文观测证据。

   随着洛杉矶夜晚的城市灯光日益严重地威胁着威尔逊山的天文观测,海尔又在其东南约145千米的帕洛马山上另选了一处台址,并决定在那儿建一架口径5.08米(200英寸)的反射望远镜。从1929年开始,人们为这项浩大的工程付出了史诗般的努力。玻璃镜坯由美国东部纽约州著名的康宁玻璃厂生产,其背面浇铸成蜂窝状,使镜子的重量减小一半以上,这种结构使整块反射镜内的任何一点到玻璃表面的距离都不超过5厘米,整块玻璃中温度变化可以比较迅速地达到均衡。浇铸好的玻璃毛坯,在严格的温度控制下花了10个月时间慢慢冷却,而且它必须横越整个美国,运到加利福尼亚州的帕洛马山。为求稳妥,火车走一条专线,昼行夜宿,时速从不超过40千米。这块玻璃装箱后宽度显著超过5米,经过不少地方时,允许通行的空间往往只剩下了区区几厘米。接下来的研磨和抛光,总共用掉了31吨磨料。这架海尔望远镜最后成形时,反射镜本身重达14.5吨,镜筒重140吨,整个望远镜的可动部分竟重达530吨!

   海尔望远镜于1948年落成。此后将近30年,始终没有任何望远镜可以同它媲美。材料、设计、工艺、结构等多方面的重重困难,一度使得制造更大的反射望远镜成了镜花水月。1976年,苏联人勉为其难造出一架口径6米的反射望远镜,可惜其性能并不尽如人意。

   施密特望远镜

   天文望远镜的口径越大,收集到的光就越多,就能探测到越远越暗的天体。同时,望远镜的口径越大,分辨细节的本领也就越高,这对天文观测同样至关重要。因此,制造越来越大的望远镜就成了天文学家的永恒追求。不过,望远镜的口径越大,每次能有效观测的天空范围就越小,这使得大型反射望远镜难以胜任“巡天”观测。

   “巡天”,宛如对天体“查户口”,把整个天空或规定的天区普查一遍。要想在不太长的时间内完成一轮巡天,望远镜的视场就不能太小,因而其口径就不宜太大。另一方面,为了探测很暗的天体,望远镜的口径又必须足够大。这两者是有矛盾的。那么,有没有可能造出一种口径既大、视场也大的新型天文望远镜呢?

   德籍俄国光学家施密特(B. V. Schmidt)首先想出一种同时利用折射和反射的方案。1930年,他研制成功第一架这样的“施密特望远镜”:用球面反射镜作为主镜,并在其球心处安放一块形状特殊的“改正透镜”,使得光线经它折射后恰能弥补反射镜引起的球差,同时又不会产生明显的色差和其他像差。这使望远镜的有效视场增大了许多,从而在“巡天”工作中起到了无可替代的巨大作用。例如,美国的帕洛马山天文台,以及位于澳大利亚的英澳赛丁泉天文台各用一架主镜口径1.86米,改正透镜口径1.22米的施密特望远镜巡天,记录了全天约10亿个天体的位置、形状等信息。

   施密特望远镜既然要用到透镜,就不可能做得太大。那么,能不能用一块“改正反射镜”来代替“改正透镜”呢?研制“反射式施密特望远镜”,正是1990年代以来国际天文界共同关心的问题。只有做到这一点,才能将整个望远镜的口径和视场同时做得很大。中国研制的大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(简称LAMOST)就是一个良好的开端。[6, 7]

   在某种意义上,施密特望远镜是一类特种望远镜,它的特定用途是进行巡天类的观测。另一类特种望远镜是专门用于研究太阳的,例如太阳色球望远镜、日冕仪等。我国研制的太阳磁场望远镜,能够观测太阳光球层和色球层中的矢量磁场和速度场,在世界上同类仪器中居于领先地位,其功效很受国际同行称道。

   在一架施密特望远镜的视野中,所包含的天体可多达几十万个。如果发现了什么特别有趣或可疑的东西,那就应该进而利用巨型反射望远镜来更加精细地考察它们。所以,即使有了施密特望远镜,天文学家也还是需要越来越大的反射望远镜。

   新理念和新技术

   研制更大的天文望远镜,关键在于设计理念和相关技术两方面的革新。1970年代,美国天文学家用6块口径1.8米的反射镜互相配合,使它们的光束聚集到同一个焦点上。这样,其聚光能力便相当于一架口径4.5米的反射望远镜,分辨细节的本领则与口径6米的望远镜相当。这种设备叫做多镜面望远镜。

   更进一步,人们还可以先造许多较小的镜子,然后把它们实实在在地拼接成为一个整体。这项工作极为精细,必须依仗当代计算机才能实现。这就是今天很前卫的拼接镜面技术。

   大型望远镜改变指向时,其反射镜各部分承受的重力也随之改变,镜面的形状也随受力状态的改变而发生微小的变化,最终便降低了成像质量。为此,人们起先总是把玻璃镜坯做得厚厚的,企图依靠玻璃自身的刚度来抵御可能造成的形变。

   其实,巨大的镜面绝对不变形是不可能的。于是人们想到,在反射镜的背面装上一排排的传感器,凭借电子计算机的帮助,随时测出镜面实际形状与理想状态的偏差。据此,计算机又立即发出指令,让镜面背后不同部位的促动器分别施加相应的推力或拉力,随即将畸变的镜面形状纠正过来。这种新技术叫做主动光学。由此,反射镜就不必造得那么笨重了,整个望远镜的造价也随之大大降低。

   还有一项新技术称为自适应光学,其目标是尽可能消除大气扰动的影响,改善像的分辨率。其原理是:对使用超薄镜面的大型望远镜,由计算机实时检测因受大气扰动而变形的光波波前,并与理想波阵面进行对比,以发现两者的差异,并对它进行实时校正。

   1980年代后期以来,人们开始运用这些新技术来建造更大的光学望远镜。例如,美国于1993年建成一架口径10米的凯克望远镜,其主镜各由36块直径1.8米的正六角形反射镜拼接而成,而其镜子厚度只有10厘米。1996年,又建成了一模一样的第二架。它们分别称为凯克I和凯克II,是当今世界已投入工作的口径最大的光学望远镜。

   一些西欧国家联营的欧洲南方天文台,于2000年建成了由4架相同的反射望远镜组成的甚大望远镜,每一架的主镜口径都是8.2米。4架望远镜可以分头独立工作,也可以联合起来使用,这时其聚光能力就相当于一架口径16米的巨型反射望远镜了。

   研制8~10米级望远镜取得的成功和经验,为进一步制造口径30~50米的望远镜创造了有利条件。例如,美国和加拿大天文学家合作研制的三十米望远镜,总投资约6亿美元。其主镜口径为30米,由492块1.4米的子镜拼接而成,在计算机控制下如同一个单一镜面那样工作。欧洲南方天文台正在预研的“欧洲超大望远镜”,口径达42米,镜面由906块口径1.45米的六边形子镜构成。此镜造价预算为12亿美元,最乐观的估计是在2017年“开光”。

   “空基”和“月基”

   地球大气对光的吸收、折射、散射及大气本身的抖动,严重地影响了天文观测的效果。倘若将天文望远镜置于地球大气层外,情况就会大为改观。

   1990年4月,美国把哈勃空间望远镜送上了离地面约600千米的太空轨道。这架口径2.4米的反射望远镜,18年来工作非常出色,其极为丰富的观测资料对天文学有着巨大的影响。例如,它观测到了离我们100多亿光年的星系,证明有些星系的中央存在超大质量的黑洞,它大大深化了人类对宇宙的认识,并使天文学家有可能更准确地追溯宇宙早期的历史。

   现正研制中的詹姆斯·韦伯望远镜比哈勃望远镜更先进且廉价,其主镜口径约6米,将于2013年发射上天,它主要将在红外波段工作。

   以太空为基地的“空基望远镜”,优点固然毋庸置疑,却也有其自身的弱点。它造价高昂,许多技术问题也有待进一步解决。例如,地面上的天文望远镜有坚实的大地作为依托,可保证望远镜的稳定。空间望远镜本质上是一颗环绕地球运行的人造卫星,它在太空中必须靠陀螺仪之类的设备来维持姿态的稳定,为此在技术和金钱上付出的代价都非常可观。

   那么,能不能为天文望远镜找到一个比地球表面和空间轨道都更好的观测基地呢?1980年代中期以来,各国科学家为此召开了多次专题讨论会,并得出结论:在月球上建造天文台是非常令人向往的事情。

   以月球为基地的天文台称为“月基天文台”,安装在那里的望远镜则称为“月基望远镜”。它们有许多优点,例如:月球上没有大气,地球大气对天文观测的一切干扰,对于月基望远镜已然不复存在;月球亦如地球一般,是一个巨大、稳定、而且极其坚固的“平台”,因而可以用类似于地球上的方式来解决月基望远镜的安装、指向和跟踪等问题;月球表面的重力仅为地球表面重力的1/6,在月球上建造巨型望远镜及其观测室,将比在地球上建造更加方便,兼之月球上绝对无风,这对建造巨型设备就更加有利;月球上“月震”活动的强度仅约为地球上地震活动的亿分之一,那里对于天文观测十分安全,尤其适宜建立基线很长的干涉系统;月球上每个白昼或黑夜差不多都有地球上的两个星期那么长,因而在那里持续跟踪观测一个目标可以长达300多个小时……

   把望远镜送上月球,如今在技术上已没有不可逾越的障碍。将来,随着月球资源开发利用水平的不断提高,人们将能利用月球本身的资源,在月球上就地兴建月基天文台。可以想象,望远镜的未来,必将会比过去的400年更加宏伟而辉煌!

   [1] King H C. The History of the Telescope. London: Charles Griffin && Company Limited, 1955.
   [2] Asimov I. Eyes on the Universe: A History of the Telescope. Boston, MA: Houghton Mifflin Company, 1975. 中译本:[美]I.阿西摩夫著. 黄群,卞毓麟译. 洞察宇宙的眼睛——望远镜的历史. 北京:科学出版社,1982.
   [3] Moore P. Eyes on the Universe: The Story of the Telescope. London : Springer-Verlag London Limited, 1997.
   [4] 温学诗, 吴鑫基. 观天巨眼——天文望远镜的400年. 北京:商务印书馆, 2008.
   [5] Andersen G. The Telescope: Its History, Technology, and Future. Princeton, NJ : Princeton University Press, 2007.
   [6] 卞毓麟. 科学, 1996, 48(1): 9.
   [7] 赵永恒. 科学, 2008, 60(6): 16.
来自:宇宙和天文 / 天文与空间科学
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1
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~~空空如也
lcd
12年10个月前 IP:未同步
322057
写得不错。学习了
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diy患者
12年10个月前 IP:未同步
322655
卞毓麟
以前写的月球的起源,编入高中课本。
这篇写的不错,资料很详细。
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yuo588
1个月15天前 IP:四川
930955

感谢大佬科普

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