天文望遠鏡簡史

陳若穎

人類擁有五六千年的觀星歷史，埃及的金字塔、歐洲的巨石陣、中國殷商甲骨文中關(guān)于日月食的描述，都是人們探索宇宙的記錄。然而，在這五六千年中，人類對于星空的認識一直都停留在“點”中，通過觀測與計算這些“點”的運動規(guī)律，推測出宇宙的運行法則。直到17世紀初，望遠鏡被發(fā)明出來，人類對宇宙才有了突破性的認識。如果把人類至今的天文學(xué)研究史比喻成一天的話，我們現(xiàn)如今對天文學(xué)的大部分認識，都是在擁有了天文望遠鏡后的兩小時內(nèi)獲得的。

所謂望遠鏡，簡單來說就是幫助我們收集光線和放大遠處物體的東西。發(fā)明望遠鏡的人名叫漢斯·李波爾，是一位荷蘭眼鏡師。1608年的一天，兩個小孩兒在他的眼鏡店門口拿著兩片透鏡玩，他們因發(fā)現(xiàn)兩片透鏡疊在一起就能放大遠處的教堂而十分開心。漢斯受到啟發(fā)后苦心鉆研，在無數(shù)次的失敗后，終于制作出能夠清晰放大遠處物體的工具——望遠鏡。望遠鏡被發(fā)明出來后，人們只是用它來看遠處的人或風(fēng)景，并沒有將它對準星空。而將望遠鏡發(fā)揚光大，應(yīng)用于天文學(xué)研究的是意大利著名物理學(xué)家、天文學(xué)家伽利略·伽利雷。

折射式望遠鏡

1609年，伽利略聽說有位荷蘭人發(fā)明了一種能放大遠處景物的工具，便在還未見過實物的情況下，利用風(fēng)琴管、一片凹透鏡和一片凸透鏡制作出了他自己的第一架望遠鏡。之后，他又經(jīng)過數(shù)次改造，制作出了更清晰、能夠?qū)⑽矬w放得更大的望遠鏡，并第一次將它對準夜空中的天體。他看到了月球表面崎嶇不平的環(huán)形山，通過觀測了解到銀河系是由無數(shù)顆恒星構(gòu)成的，還發(fā)現(xiàn)了太陽黑子、金星盈虧、木星的四顆衛(wèi)星。伽利略把這些驚人的發(fā)現(xiàn)寫進了《星際使

者》和《關(guān)于太陽黑子的書信》兩本書中，從此天文學(xué)從裸眼觀測時代進入了望遠鏡觀測時代。不僅如此，四顆木星衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)也給當(dāng)時流行的“地心說”帶來了很大的沖擊，促進了“日心說”的傳播。后來，為了紀念伽利略的貢獻，這四顆衛(wèi)星被合稱為伽利略衛(wèi)星。

反射原理

為什么伽利略可以僅利用一片凹透鏡和一片凸透鏡就制作出能看清木星衛(wèi)星的望遠鏡呢？這其中的原理是什么呢？首先，我們要了解光的傳播原理。當(dāng)光穿過玻璃時，會產(chǎn)生兩種效應(yīng)——“反射”和“折射”。在發(fā)生反射現(xiàn)象時，我們可以把光想象成彈力球，光就像被斜著扔向地面的彈力球一樣，斜著射向玻璃表面的光會以一定的角度被“反彈”出去。

折射原理

相比于反射，折射會更復(fù)雜一些。大家可以想象，我們在水泥地和沙灘上跑步的感覺不同，那是因為摩擦力不同。對于光來說，折射率就相當(dāng)于“摩擦力”，它決定了光在進入不同介質(zhì)（比如空氣、水、玻璃等）時的彎曲程度。就像我們從水泥地跑到沙灘時腳感受到的摩擦力肯定會發(fā)生變化，光在進入不同介質(zhì)時，本來應(yīng)該沿著直線走，卻因為“摩擦力”變化發(fā)生了彎折，這個現(xiàn)象就叫“折射”。

伽利略式望遠鏡示意圖

人們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過折射，凸透鏡可以將遠處的平行光線匯聚到一個點上，凹透鏡則可以將遠處的平行光線發(fā)散開來。那么，如果利用一片凸透鏡來收集遠處的光線，再用一片凹透鏡將收集到的光線發(fā)散出去，這樣通過選擇合適的透鏡、設(shè)置好透鏡之間的距離，是不是就能放大遠處的物體了？伽利略就是這么想的。他用一個凸透鏡做物鏡，并在物鏡后放一個凹透鏡作為目鏡，制成了他的第一架望遠鏡。后來人們便把這類結(jié)構(gòu)的望遠鏡統(tǒng)稱為伽利略式望遠鏡。這類望遠鏡的優(yōu)點是看到的物體為正像（即眼中看到的物體上下左右沒有翻轉(zhuǎn)），但缺點是適眼距較差（即觀測時對眼睛與目鏡之間的距離要求很高，如果眼睛距離目鏡稍微近或遠一點兒，就會看不清且很不舒服）。

后來，開普勒在伽利略式望遠鏡的基礎(chǔ)上，利用兩片凸透鏡設(shè)計了一款“開普勒式望遠鏡”。他在物鏡之后放一個由凸透鏡制成的目鏡，便成功解決了適眼距的問題。但因為光線是匯聚后再經(jīng)過目鏡的，從物鏡上端進入的光反而會從目鏡的下端射出，這樣望遠鏡中成的像就是倒像（即上下顛倒，左右相反的像）。由于結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕，并且視線方向和天體所在方向一致，容易尋找天體，很多入門級的望遠鏡都采用了開普勒式望遠鏡的構(gòu)造。后來，人們將伽利略式和開普勒式這樣利用折射光線達到放大效果的望遠鏡統(tǒng)稱為折射式望遠鏡。

開普勒式望遠鏡示意圖

在創(chuàng)造出折射式望遠鏡后，人們想的肯定是如何繼續(xù)改造望遠鏡，使其觀測得更遠、更清晰。這時人們首先想到的就是增加望遠鏡的口徑。因為口徑越大，遠處的天體就能被放得更大。但是，隨之而來的是，望遠鏡的口徑越大，它的質(zhì)量就越大，這就會使望遠鏡很難支撐。不僅如此，折射式望遠鏡還有一個很大的缺點——色差。我們通過光的色散實驗可以看到，由于不同顏色的光折射率不同，所以三棱鏡可以把白色的光束分解成七種不同顏色的光。折射式望遠鏡的物鏡也一樣，它也會把收集到的白光在鏡筒中“分解”，形成最外圍是紅光、最內(nèi)層是紫光的錐形光束。這樣一來，折射式望遠鏡的口徑越大，它分解出的紅光和紫光離得就越遠，人在目鏡中看到的圖像色差就越大。由于大口徑折射式望遠鏡的觀測效果不佳，漸漸地，它就走下了歷史舞臺。現(xiàn)存世界上最大的折射式望遠鏡保存在美國芝加哥大學(xué)葉凱士天文臺中，它是1897年建造的，口徑只有1.02米。

色散和色差示意圖

反射式望遠鏡

牛頓式反射望遠鏡示意圖

為了減少色差并獲得更優(yōu)良的性能，英國物理學(xué)家、天文學(xué)家牛頓在1668年拋棄了傳統(tǒng)折射光線的設(shè)計方式，利用反射光線的原理，成功制作出第一架反射式望遠鏡。他在望遠鏡的鏡筒底部裝了一塊曲面的反射鏡作為主鏡，用于將收集到的光線全都反射到副鏡上，而副鏡則是一塊斜放的反射鏡，可以把光線都反射到目鏡中。反射式望遠鏡的特點是它把目鏡放在了靠近鏡筒前端的側(cè)面。因此，我們僅從外觀上就能將它與折射式望遠鏡區(qū)分開。但也因為它的副鏡位于鏡筒前端，所以可能會阻擋一部分進入鏡筒的光線，對觀測到的圖像亮度會有部分影響。因為沒有折射光線，所以反射式望遠鏡不會產(chǎn)生色差，且因為光線只是被鏡面反射，并不需要穿過主鏡和副鏡，所以對鏡面材料的要求不是很高。這種將光線反射的設(shè)計，可以縮短望遠鏡的長度，有效地減小大口徑望遠鏡的體積。這些優(yōu)點使得反射式望遠鏡造價低廉且便于制作，受到了極大的歡迎。

在牛頓之后，還有幾位科學(xué)家對反射式望遠鏡進行了改良，制造了卡塞格林式、格里高利式等其他同樣利用反射曲面設(shè)計的反射式望遠鏡。但在小型望遠鏡中，應(yīng)用最廣泛的仍是牛頓式反射望遠鏡，很多業(yè)余級的小型望遠鏡采用的都是這種設(shè)計。

天文臺

威爾遜山天文臺

隨著望遠鏡口徑越來越大，用人力來控制一架大型望遠鏡的運轉(zhuǎn)已經(jīng)十分困難。因此，將望遠鏡固定在地面上，通過電腦控制機械系統(tǒng)來操縱望遠鏡運轉(zhuǎn)的天文臺誕生了。世界上第一架現(xiàn)代大型反射式望遠鏡是1908年在美國天文學(xué)家喬治·埃勒里·海爾的領(lǐng)導(dǎo)下設(shè)計制造的。這架位于美國加利福尼亞威爾遜山上的望遠鏡，首次拍到了天狼星伴星的光譜，并確認它是一顆白矮星。10年之后，威爾遜山上又裝配了一架以投資者胡克命名的、口徑為2.54米的望遠鏡。1924年，愛德文-鮑威爾·哈勃正是利用這架望遠鏡，測量了仙女座星系與地球的距離，結(jié)束了長達兩百年的“宇宙島”之爭，確認了宇宙中并不只有銀河系這一個星系。

胡克望遠鏡

折反射望遠鏡

但是反射式望遠鏡并非完美無缺，它也有諸多問題，如成像不在平面上、目鏡中看到的物像變形等。為了解決這些問題，德國光學(xué)家施密特做出創(chuàng)造性的假設(shè)：如果把折射式和反射式兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，取長補短，是不是就能更完美？他通過添加一塊改正鏡，在1931年設(shè)計出了性能更加優(yōu)良的折反射望遠鏡。他設(shè)計的望遠鏡除了有一塊用于折射光線的凸透鏡外，中間還添加了一塊曲面的改正鏡來反射光線。改正鏡需要非常精細的做工，對技術(shù)材料等都有很高的要求。我國目前最大的一架折反射望遠鏡，同時也是口徑最大的光學(xué)望遠鏡——大天區(qū)面積多目標光纖光譜天文望遠鏡（簡稱LAMOST），就在國家天文臺河北興隆觀測基地中。它的口徑為4.16米，是一架可以對大范圍的天空進行長時間跟蹤分析的巡天望遠鏡。在2010年，它被正式命名為“郭守敬望遠鏡”。

折反射望遠鏡結(jié)構(gòu)示意圖

射電望遠鏡

甚大射電望遠鏡陣列

我們知道，光其實是一種電磁波，我們平時所能看到的“可見光”只不過是整個電磁波波段的一小部分，還有如射電（無線電）、X射線、紅外等其他波段。而前文介紹的所有望遠鏡都是光學(xué)望遠鏡，只能接收到可見光波段的天體輻射。因此，僅利用光學(xué)望遠鏡探測宇宙無異于盲人摸象。隨著望遠鏡技術(shù)的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)不滿足于只在可見光范圍內(nèi)探究宇宙了。于是，全波段天文學(xué)開始發(fā)展起來。但是，在地球上對其他波段的探測困難重重。地球那個厚厚的大氣層幫助我們抵御了來自宇宙的輻射和小天體的攻擊。同時，也恰恰是這個大氣層，反射和吸收了部分波段的輻射，讓它們無法到達地面。而那些能成功到達地面的輻射，就形成了三個能夠讓我們在地球上觀測的窗口——光學(xué)窗口、射電窗口和紅外窗口，我們將它們統(tǒng)稱為大氣窗口。然而在大氣窗口之外的那些電磁輻射，我們就只能到大氣層外去觀測了。

為了觀測可見光，人類發(fā)明了折射式、反射式、折反射望遠鏡：同樣，為了觀測射電輻射和紅外輻射，人類發(fā)明了射電望遠鏡和紅外望遠鏡。

電磁波波譜和大氣窗口示意圖

雖然射電窗口一直存在，但直到1932年，美國貝爾研究室的無線電工程師卡爾·央斯基才發(fā)現(xiàn)了來自銀河系中心的射電輻射。這一發(fā)現(xiàn)標志著射電天文學(xué)的誕生，從此，人類探索宇宙的手段又增加了一種。

FAST

與光學(xué)望遠鏡相比，射電望遠鏡具有全天候觀測的能力。因為射電波不會受到太陽光的影響，也能穿透厚厚的云層，所以不論白天黑夜、陰天下雨，它都能被正常觀測到。我國2016年建成的500米口徑球面射電望遠鏡（簡稱FAST）是目前世界上最大的單一口徑射電望遠鏡。

與射電望遠鏡相比，紅外望遠鏡受限就多了。它需要使用特殊的紅外敏感材料才能獲取圖像，而且為了避免周邊環(huán)境和望遠鏡本身發(fā)出的紅外線對觀測的影響，還需要把探測器甚至是整個望遠鏡都放到-196℃以下的低溫環(huán)境中。

空間望遠鏡

隨著望遠鏡口徑的增大和觀測質(zhì)量的提升，為望遠鏡選取天文臺臺址的要求也逐漸增加，晴天數(shù)、干燥程度、大氣厚度等因素都十分關(guān)鍵。天文臺逐漸從市內(nèi)遷向市郊、高山、遠海，最終科學(xué)家們盯上了太空這塊得天獨厚的遼闊領(lǐng)域。

哈勃空間望遠鏡

被發(fā)射到太空的空間望遠鏡，不需要受到白天黑夜的觀測限制，完全擺脫了地球大氣的影響;也不需要考慮大氣窗口的問題，可以進行全天候全波段的天文觀測。并且因為幾乎沒有重力的約束，所以不需要很復(fù)雜的支架系統(tǒng)。地面上四五米長的望遠鏡，鏡筒加上支架系統(tǒng)重量可達百噸，相比起來，空間望遠鏡更加省時省力。

找到了太空這個最優(yōu)越的天文觀測場所，人們開始了空間天文學(xué)的發(fā)展之路?？臻g天文學(xué)也成為繼光學(xué)天文學(xué)和射電天文學(xué)之后，天文學(xué)發(fā)展史上的第三座里程碑。最著名的空間望遠鏡要數(shù)哈勃空間望遠鏡了，它是以美國天文學(xué)家愛德文·鮑威爾·哈勃的名字命名的。它的口徑雖然僅有2.4米，卻創(chuàng)造了數(shù)不清的成就。從1946年開始初步構(gòu)思到1990年4月24日被發(fā)射升空，哈勃空間望遠鏡的研發(fā)和發(fā)射因預(yù)算、技術(shù)等問題不斷被推遲。甚至由于加工過程中一道工序的疏忽，在發(fā)射上天并向地面?zhèn)骰氐谝唤M照片后，科學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)它成了“近視眼”。1993年12月，美國國家航空航天局（NASA）又派出奮進號航天飛機和7名航天員進入太空為“哈勃”更換了新鏡片。今年，哈勃空間望遠鏡將迎來它的30歲生日，在這30年中，它幫助科學(xué)家們更準確地估算出宇宙的年齡，提供了研究太陽系外圍天體的更好機會，并拍攝了迄今為止最清晰的深空圖像。由于設(shè)備老化以及望遠鏡技術(shù)更新等問題，NASA在2009年對超期服役的哈勃空間望遠鏡進行了最后一次維修，未來將會由詹姆斯·韋伯空間望遠鏡代替它繼續(xù)幫助科學(xué)家探索宇宙。

隨著天文望遠鏡技術(shù)的發(fā)展，夜空中的一個個星點逐漸清晰起來，黑暗無邊的宇宙也漸漸呈現(xiàn)出更加豐富壯觀的景象。我們常說“探索宇宙”，但如果沒有越來越先進的天文望遠鏡，探索宇宙根本無從談起，因為我們?nèi)祟惒豢赡軙r刻徜徉于宇宙之中，捕捉各種電磁信號。你看，此時此刻，無論是地球上還是宇宙中，正有數(shù)不清的天文望遠鏡在持續(xù)不斷地“巡天探索”，幫助我們搭建通往宇宙之路！

哈勃空間望遠鏡拍攝的深空圖