“尋天警察”創(chuàng)造的奇跡

□ 陳 丹

為了緬懷施密特的偉大功績(jī)，人們把施密特設(shè)計(jì)的這種折反射望遠(yuǎn)鏡稱為施密特望遠(yuǎn)鏡（Schmidt telescope），或者由于它專門用于天體攝影而稱之為施密特照相機(jī)（Schmidt camera）

施密特望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明創(chuàng)造了天文學(xué)家夢(mèng)寐以求的奇跡，被視為是20世紀(jì)上半葉，改變天文學(xué)和光學(xué)設(shè)計(jì)的劃時(shí)代的重要科學(xué)成果。由于球面反射鏡對(duì)于各個(gè)方向射入的光線是完全一樣的，因此，可以獲得大到15°以上的視場(chǎng)，而焦比可以小到1.75。波浪性的透鏡又正好能改正光線經(jīng)過(guò)反射鏡時(shí)產(chǎn)生的各種像差，得到如反射望遠(yuǎn)鏡一樣的高清晰度。它拍攝的單張照片所包含的星像可以多達(dá)百萬(wàn)顆恒星和10萬(wàn)個(gè)星系。因此，施密特望遠(yuǎn)鏡非常適合做天體攝影工作，可獲得大面積天區(qū)的高清晰度照片，被人們譽(yù)為“巡天警察”。

這幅室女座星系團(tuán)中心附近的照片，是由帕洛馬山天文臺(tái)120厘米施密特望遠(yuǎn)鏡拍攝的，可以充分體現(xiàn)這種望遠(yuǎn)鏡作為“巡天警察”作用。室女座星系團(tuán)是距離我們最近的星系團(tuán)（其中心距離7000光年），由于離得近，以至于它在天空橫跨超過(guò)5°，大約是是滿月的10倍。此圖中有一連串醒目的星系組成一個(gè)星系鏈，穿過(guò)室女座星系團(tuán)的中心，被稱為馬卡萊恩星系長(zhǎng)鏈（Markarian's Chain of Galaxies ），長(zhǎng)鏈向左上延伸，連接數(shù)個(gè)旋渦星系，包括左上角的M88。右下角最顯眼的是兩個(gè)大型透鏡狀星系——M84和M86

帕洛馬山的120厘米施密特望遠(yuǎn)鏡和帕洛馬巡天

但是在施密特生前并沒(méi)有多少人接受這一設(shè)計(jì)而請(qǐng)他研制大型施密特望遠(yuǎn)鏡。1931年他的同事、合作伙伴沃爾特·巴德離開(kāi)漢堡天文臺(tái)，到美國(guó)威爾遜山天文臺(tái)工作，隨身帶去了施密特望遠(yuǎn)鏡的制作計(jì)劃。當(dāng)時(shí)建造5米大型反射望遠(yuǎn)鏡的工程已經(jīng)開(kāi)始，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人意識(shí)到，這種新型望遠(yuǎn)鏡可以為他們的龐然大物做最好的補(bǔ)充，可以讓它充當(dāng)“導(dǎo)星鏡”，先確定有趣的目標(biāo)后，再讓5米鏡去仔細(xì)觀察。于是首先由藝術(shù)家和工程師拉塞爾·波特（Russell W. Porter，1871 ～1949）設(shè)計(jì)了一架改正鏡45厘米、口徑65厘米的施密特望遠(yuǎn)鏡，于1936年在帕洛馬山天文臺(tái)投入使用，取得令人振奮的成功——用此望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了遙遠(yuǎn)星系里的超新星；接著由威爾遜山天文臺(tái)的青年光學(xué)怪才唐·亨德里克斯（Don Hendrix，1905～1961）主持磨制的改正鏡122厘米、口徑186厘米的施密特望遠(yuǎn)鏡于1938年開(kāi)始建設(shè)，期間與5米鏡一樣，經(jīng)歷了由于第二次世界大戰(zhàn)而產(chǎn)生的停頓，于1948年才宣告建成。

這架后來(lái)被命名為塞繆爾·奧斯欽望遠(yuǎn)鏡（Samuel Oschin Telescope）的120厘米施密特望遠(yuǎn)鏡，在全球施密特望遠(yuǎn)鏡中排名第二，不僅以5米海爾望遠(yuǎn)鏡的配套設(shè)備聞名于世，而且以此設(shè)備為基礎(chǔ)誕生了對(duì)于天文學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的帕洛馬巡天計(jì)劃（Palomar Observatory Sky Survey，縮寫POSS）。

1956年的天文學(xué)家巴德，他曾是施密特的同事，對(duì)于推動(dòng)在帕洛馬山天文臺(tái)建造施密特望遠(yuǎn)鏡發(fā)揮了巨大作用

1941年藝術(shù)家和工程師拉塞爾·波特繪制的塞繆爾·奧斯欽望遠(yuǎn)鏡圖

此計(jì)劃由美國(guó)國(guó)家地理學(xué)會(huì)出資，由帕洛馬山天文臺(tái)用其120厘米施密特望遠(yuǎn)鏡實(shí)施，完成于1958年（最初的底片拍攝于1948年11月，最終的觀測(cè)則是一直進(jìn)行到了1958年春），出版了一套空前完善和均勻的帕洛馬巡天星圖。使用的底片是柯達(dá)公司的14英寸103a-E紅敏底片與103a-O藍(lán)敏底片，每個(gè)天區(qū)用兩種底片加寬帶濾光片各拍攝一次，覆蓋帕洛馬天文臺(tái)可見(jiàn)的整個(gè)天空。1958年最終完成時(shí)，被測(cè)天區(qū)南限從最初計(jì)劃的赤緯-27度延伸到了-33度，共拍攝了900余組照片，彼此相隔6度。

帕洛馬山天文臺(tái)的改正鏡45厘米、口徑65厘米的施密特望遠(yuǎn)鏡

哈勃與塞繆爾·奧斯欽望遠(yuǎn)鏡（1948年）

自完成以來(lái)，帕洛馬巡天星圖風(fēng)靡世界，幾乎成了各國(guó)專業(yè)天文觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)工具，如——針對(duì)變星或新星的識(shí)別；新天體的發(fā)現(xiàn)，矮星系、互擾星系、星團(tuán)、太陽(yáng)系小天體；同時(shí)也廣泛用于射電或紅外源的多波段證認(rèn)。

第二期帕洛馬巡天于1985年至2000年進(jìn)行。此時(shí)已經(jīng)被命名為“塞繆爾·奧斯欽”的120厘米施密特望遠(yuǎn)鏡專門加裝了消色差裝置，為與南天巡天保持一致，各被測(cè)天區(qū)的間距選為5度，而非之前的6度。二期巡天所用底片也換為顆粒更細(xì)致的藍(lán)敏IIIaJ、紅敏IIIaF與近紅外IVN三種，共拍攝897組。這是CCD完全占領(lǐng)專業(yè)天文觀測(cè)之前的最后一次大規(guī)模照相底片巡天。

始于20世紀(jì)50年代的帕洛馬巡天，在數(shù)字時(shí)代的延續(xù)是，1994年公布的數(shù)字化巡天（Digitized Sky Survey，DSS）?？臻g望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所最初進(jìn)行這一計(jì)劃的目的是為哈勃空間望遠(yuǎn)鏡提供引導(dǎo)天體，結(jié)合南天的部分?jǐn)?shù)據(jù)，構(gòu)成了導(dǎo)星星表的主體。

為塞繆爾·奧斯欽望遠(yuǎn)鏡安裝的大面積探尋照相機(jī)（QUEST Camera ）

塞繆爾·奧斯欽望遠(yuǎn)鏡藝術(shù)照片

塞繆爾·奧斯欽望遠(yuǎn)鏡圓頂

美國(guó)天文學(xué)家桑德奇（Allan Rex Sandage，1926～）在1999年的回顧文章中如是說(shuō)，帕洛馬巡天之前，人們對(duì)深空世界是所知無(wú)幾的，那種無(wú)知的程度甚至可能讓親歷者都難以回首。一二期帕洛馬巡天前后跨越了數(shù)十年，標(biāo)示著底片照相時(shí)代的輝煌，也見(jiàn)證了天文底片的沒(méi)落。二期巡天過(guò)后不久，塞繆爾·奧斯欽望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了自動(dòng)化改裝，換用CCD，并分別在1960年建成，為紀(jì)念德國(guó)天文學(xué)家和設(shè)計(jì)工程師Alfred Jensch（1912～2001）而被命名為Alfred Jensch望遠(yuǎn)鏡，其反射鏡直徑達(dá)200厘米，改正鏡直徑達(dá)143厘米，焦距為4米，視場(chǎng)為3.4×3.4平方度。

格林菲斯天文臺(tái)的大畫卷展項(xiàng) 此展項(xiàng)充分展示了塞繆爾·奧斯欽望遠(yuǎn)鏡的巡天本領(lǐng)。這幅圖像展示的是比人眼視力達(dá)到的距離遠(yuǎn)1千萬(wàn)倍的，太空深處的畫面——離地球最近的室女座星系團(tuán)中一片很小的區(qū)域。圖像陳列在114塊獨(dú)立的琺瑯展板上，每塊展板高2米，寬1.2米，重約32千克，包括1百萬(wàn)個(gè)星系，50萬(wàn)顆恒星，1千個(gè)小行星和至少1顆彗星，由2004年到2005年間20個(gè)晚上“帕洛馬數(shù)字巡天計(jì)劃”采集的數(shù)據(jù)2千億字節(jié)數(shù)據(jù)中選出合成，大小有24.6 億像素。 在大畫卷對(duì)面坐著愛(ài)因斯坦的銅像

鬩神星的藝術(shù)概念畫 鬩神星是2003 UB313的正式命名。塞繆爾·奧斯欽望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一系列柯伊伯帶天體，以此星為最大，超過(guò)冥王星，導(dǎo)致2006年國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)對(duì)于行星的重新定義。

卡爾?史瓦西天文臺(tái)的143厘米施密特望遠(yuǎn)鏡，世紀(jì)最大的施密特望遠(yuǎn)鏡

其次就是我們上面介紹的帕洛馬山天文臺(tái)的塞繆爾·奧斯欽望遠(yuǎn)鏡望，反射鏡直徑186厘米，改正鏡直徑122厘米。

1973年，英奧天文臺(tái)（設(shè)于澳大利亞賽丁泉天文臺(tái)之內(nèi)）建成英國(guó)施密特望遠(yuǎn)鏡（UK Schmidt Telescope），與塞繆爾·奧斯欽望遠(yuǎn)鏡望一樣，其反射鏡直徑為186厘米，改正鏡為122厘2001年和2003年配備了近地小行星追蹤照相機(jī)與大面積探尋照相機(jī)（QUEST Camera ），繼續(xù)從事巡天工作，主要目標(biāo)是近地小天體與變?cè)础?005年，望遠(yuǎn)鏡因首顆大于冥王星的柯伊伯帶天體——2003 UB313的發(fā)現(xiàn)而在公眾中一舉成名，很大程度上也導(dǎo)致了翌年國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAU）對(duì)行星的重新定義。這也算是這架傳奇設(shè)備經(jīng)歷的延續(xù)吧。

英奧天文臺(tái)的英國(guó)施密特望遠(yuǎn)

全球施密特望遠(yuǎn)鏡排行榜

目前全球最大的施密特望遠(yuǎn)鏡在德國(guó)圖林根自由邦的耶拿市陶騰堡的卡爾?史瓦西天文臺(tái)（Karl Schwarzschild Observatory），米。視場(chǎng)為6×6平方度。20世紀(jì)70年代歐洲南方天文臺(tái)在智利的拉西拉天文臺(tái)（La Silla Observatory）建成反射鏡直徑162厘米、改正鏡100厘米的施密特望遠(yuǎn)鏡。此時(shí)性能更好的底片問(wèn)世了，英奧天文臺(tái)的英國(guó)施密特望遠(yuǎn)鏡和歐洲南方天文臺(tái)的施密特望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了大規(guī)模南天巡天觀測(cè)，以補(bǔ)充帕洛馬巡天的南天之不足。1994年公布的數(shù)字化巡天和2007年公布的GoogleSky巡天，也都采用這兩個(gè)施密特望遠(yuǎn)鏡的巡天數(shù)據(jù)。

比較大的施密特望遠(yuǎn)鏡還有：委內(nèi)瑞拉天文研究所的反射鏡150厘米、改正鏡100厘米的施密特望遠(yuǎn)鏡；日本東京大學(xué)天文臺(tái)木曾觀測(cè)所的反射鏡150厘米、改正鏡105厘米的施密特望遠(yuǎn)鏡；法國(guó)地球動(dòng)力學(xué)與天文研究探測(cè)中心的反射鏡150厘米、改正鏡90厘米的施密特望遠(yuǎn)鏡；瑞典烏普薩拉大學(xué)天文臺(tái)的反射鏡137厘米、改正鏡102厘米的施密特望遠(yuǎn)鏡；德國(guó)漢堡天文臺(tái)的反射鏡122厘米、改正鏡81厘米的施密特望遠(yuǎn)鏡；比利時(shí)皇家天文臺(tái)的反射鏡117厘米、改正鏡84厘米的施密特望遠(yuǎn)鏡；南非波伊登天文臺(tái)的反射鏡81厘米、改正鏡90厘米的施密特望遠(yuǎn)鏡等。

我國(guó)第一臺(tái)施密特望遠(yuǎn)鏡是1963年從德國(guó)蔡司公司進(jìn)口的，安裝在國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站，反射鏡為90厘米，改正鏡為60厘米。2002年我國(guó)研制了反射鏡為120厘米、改正鏡為105厘米的施密特望遠(yuǎn)鏡，安裝在紫金山天文臺(tái)盱眙的天體力學(xué)觀測(cè)基地，主要從事太陽(yáng)系天體和人造天體動(dòng)力學(xué)的實(shí)測(cè)研究。

歐洲南方天文臺(tái)在智利的拉西拉天文臺(tái)建成的100厘米的施密特望遠(yuǎn)鏡

耶拿天文臺(tái)的90厘米施密特望遠(yuǎn)鏡

紫金山天文臺(tái)盱眙天文觀測(cè)站的104厘米的施密特望遠(yuǎn)鏡