打开APP
userphoto
未登录

开通VIP,畅享免费电子书等14项超值服

开通VIP
原来历史上发明第一台望远镜的人是他……

2009年被联合国定为国际天文年(International Year of Astronomy),之所以选择这一年,是因为2009年是伽利略发明天文望远镜400周年。400年来,天文学家、物理学家还有各类工程师们对天文望远镜的不断改进和创新,使得天文学得以飞跃发展,从而让人类能够领略并惊叹于宇宙的大美!本文就来简单讲讲望远镜这400年的历史。

早期的望远镜

现在公认的第一台天文望远镜是由意大利天文学家伽利略于1609年发明的(有些英国人不认可,他们觉得第一台天文望远镜是英国人发明的),但第一台望远镜要比这个早一年。1608年,一位名叫Hans Lippershey的荷兰眼镜工匠把一块凸透镜和一块凹透镜对准了放在一起后发现远方的物体变近变大了,这便是有记录可查的第一台望远镜。虽然这个原始模型的望远镜的放大倍率只有3倍,但这个发明迅速在欧洲流传开来。1609年,在威尼斯的伽利略听说了这件事后立即着手进行改进然后只用了一天就做出来一个放大倍率达到30的望远镜。他迫不及待地给议员们展示他的发明,议员们看完后就给了伽利略在Padua大学的终身教习职位并把伽利略的工资涨了一倍(顺便提一下Padua大学是全世界历史最悠久的大学之一,Padua大学的天文系是最早的天文学研究机构之一,对近现代科学的发展起了非常重要的作用)。

伽利略在给议员们展示他发明的天文望远镜

伽利略把他的望远镜指向了天空,于是天文望远镜在这一刻诞生了。他成为了人类历史上第一个看到木星的卫星的人(木星的四颗明亮的卫星因此也被称为伽利略卫星)、第一个看到土星光环的人、第一个观察到金星跟月亮一样有盈亏的人、第一个看到月亮表面的环形山和山谷的人、第一个通过观察太阳黑子证明了太阳在自转的人、第一个发现银河是由无数恒星组成的人、第一个。。。他的仪器也第一次被叫做'telescope',并且后来专门把他这种折射望远镜叫做'伽利略望远镜'。据说伽利略亲手做出的那一批天文望远镜中的其中一个经由传教士带到中国后流落在广州民间。

由于不同波长的光在介质中有着不同的折射率,折射望远镜不可避免的存在色差(chromatic aberration)的问题。在17世纪,人们想到的解决色差的办法就是把焦距加长,当焦距足够长的时候,色差就变得可以忽略了。卡西尼在1672年用焦距11米的望远镜发现了土星的第五颗卫星Rhea。对于折射望远镜来说,焦距有多长镜筒就必须要有多长。当时造出的最长镜筒的折射望远镜的焦距达到45米,因为镜筒太长所以在观测的时候需要吊车才能把它固定住,而且由于材质和工艺的问题稍微有一些晃动都会导致镜筒折断等事故。后来惠更斯等人抛弃了镜筒制造出一个直径20厘米焦距达64米的望远镜,Adrien Auzout更是搞出了180米焦距的无镜筒望远镜,但这些怪物很难使用基本上等于无用。

红绿蓝的光线经过透镜后聚焦在不同的位置,导致色差的出现

最长镜筒的望远镜,需要吊车帮助指向和固定

终于,牛顿出现了!牛顿指出光线通过透镜折射导致色差是无法避免的,那我们就不要用折射了嘛,反射也可以啊。于是,在1669年牛顿制造出第一台镜面(mirror)反射望远镜,被称为‘牛顿式望远镜’。牛顿版的反射镜用的是球面,后来改进为抛物面,之后卡塞格林把第二块反射镜面由平面镜改成了曲面镜大大缩短了镜筒而且并没有牺牲焦距。

牛顿式望远镜光路图

牛顿式望远镜复制品

牛顿那个时代没有镀膜技术,反射镜面都是用金属制作,受材料和工艺的限制发射式望远镜没有得到更大的发展。反而,由于消色差透镜的发明,折射望远镜开始越造越大。1773年,第一台用不同折射率材料制成的组合透镜望远镜被制造出来,色差问题被大大改进了。

两个不同材料的透镜组合能减小色差使得不同颜色的光线聚焦在一起

近现代大型望远镜

折射望远镜需要镜筒来固定镜片,当望远镜做得很大的时候,镜片自身的重量导致镜筒无法支撑和固定它。于是大型折射望远镜在进入20世纪后就停止制造了。投入实际使用的最大折射望远镜是芝加哥大学叶凯士(Yerkes)天文台的40英寸(1.02米)望远镜。

历史上不同时期制造出的最大的折射望远镜

而反射望远镜由于只需要一面来反射光线,另一面可以跟支撑系统接触,并且得益于20世纪的真空镀膜技术,大型反射望远镜代替了折射望远镜成为了天文台的主力军,而且开始安放在山顶等不受城市光污染的地区。例如1908年建成的1.5米海尔(Hale)望远镜和1917年建成的胡克(Hooker)望远镜都安置在威尔逊山天文台(Mount Wilson Observatory)。1948年建造完成并安置在帕洛玛山(Mount Palomar)的5米海尔(Hale)望远镜成为了当时世界上最大的望远镜,直到1975年被苏联的6米望远镜BTA-6所超越(BTA-6由于诸多设计问题未能发挥太大作用)。

用单块刚性玻璃制作望远镜主镜面有一些技术性限制,直径很难超过八米。因此,蜂巢式拼接镜面成为了建造更大望远镜的既经济又可行的方法。1993年建成的凯克一号和1996年完成的凯克二号望远镜主镜面直径到达了10米。进入21世纪后,大型望远镜的制造实现了跨越式的发展,各种超大型望远镜纷纷被立项建造。下图对众多已经完成和规划中的大型望远镜的大小做了对比,请注意左下角的网球场和右下角的篮球场。

大型望远镜大小对比图

望远镜的直径越大分辨率就越高,但分辨率还受限于一个我们人类没法控制的因素,那就是大气。1980年代,两种新技术的诞生帮助地面天文观测一定程度上克服了大气扰动的影响,那就是主动光学(active optics)和自适性光学(adaptive optics)。主动光学通过在主镜面背后安装推进器改变镜面的形状从而修正诸如风、温度以及机械装置对望远镜带来的影响。而自适性光学则是通过分析入射光线的波前扭曲情况从而修正望远镜的辅镜面来达到消除大气扰动的目的。自适性光学系统运作的时候会选择一颗恒星作为参考星,或者干脆向天空打一束激光来人造一颗导星。主动光学所修正的是1赫兹的低频大幅度扰动,而自适性光学所修正的是100-1000赫兹的高频小幅度扰动。

安装在镜面背后的推进器

自适性光学系统射向天空的激光束

哈勃空间望远镜

谈望远镜不能不谈一下大名鼎鼎的哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope),从民间到科学界,人们都不吝于任何美好的词句来赞扬它,比如

“哈勃望远镜是人类制造的最有用的科学仪器”

“人类历史上最高产的科学设备”

“哈勃把遥远的星系带到了你的后院”

“哈勃拍摄的图片让人产生一种敬畏和奇迹感”

“它给世界带来了一个充满美妙的星系星云和行星的艺术画展”

太空中的哈勃望远镜

让我们来欣赏一下哈勃望远镜25周年的时候评选出来的最美哈勃图片吧

哈勃太空望远镜拍摄的精美照片

哈勃太空望远镜拍摄的精美照片

哈勃望远镜让我们触及到了宇宙的极早期画面

哈勃望远镜于1990年4月24日升空,升空后就发现了对焦问题,然后与1993年进行了第一次维修。最后一次维修(HST-SM4)是在2009年,我在约翰霍普金斯大学读书期间有幸参加了SM4的宇航员与公众的见面会。哈勃的继任者--詹姆士韦伯望远镜(JWST)将于明年2018年升空,而NASA也把哈勃的服役期延长至2021年。原本,NASA计划用航天飞机将退役的哈勃望远镜接回并陈列于博物馆内,但这一计划由于航天飞机的彻底退役而作废。现在的计划是在哈勃上安装推进器,让它受控地进入大气层然后在进行回收,但愿这一计划能够成功实施,实在不想看到这样一个彪炳人类史册的仪器在大气层中烧毁。最近有传出特朗普政府正在考虑使用商业发射机构在2020年后对哈勃进行一次维护,使得哈勃能够继续在太空从事科学研究活动。

其它波段望远镜

以上都是谈的光学望远镜,也就是工作于可见光波段的望远镜。现代天文学已经覆盖了整个从射电到伽马射线的电磁波,因此对于其它波段的望远镜也做一些简单介绍。

由于二战时期雷达技术的发展和成熟,射电天文学也应运而生。射电望远镜分为单镜和阵列式两种。大型的单镜射电望远镜有位于波多黎各的305米Arecibo望远镜,还有刚建成的位于中国贵州的500米FAST望远镜。

Arecibo望远镜,直径305米

FAST望远镜,直径500米,位于中国贵州

综合孔径技术可以将多个单独的小型射电望远镜通过阵列组合并利用地球自转达到超高的分辨率,单个望远镜之间的距离越大分辨率就越高。比如位于新墨西哥州沙漠的甚大阵(Very Lary Array, VLA),就是三条互成120度的36公里长的导轨,上面陈列了27个直径25米的射电望远镜。

射电望远镜甚大阵

为了获得更高的分辨率,望远镜阵列的基线(baseline)就要更长,因此出现了横跨美国大陆的甚长基线干涉阵(VLBA)和以地球直径为基线的VLBI。这种干涉阵列的精度如此之高,可以用来测量每年太平洋板块的微小漂移!

比射电波长再短一些的是微波。宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸的余晖,温度在~2.7K,对宇宙背景辐射的观测可以用来测量宇宙的一些重要参数,比如宇宙的年龄以及宇宙中的物质和能量的分布。

微波背景辐射探测器COBE、WMAP和PLANK

由于微波背景辐射的温度很低,所以很有必要降低望远镜自身的热辐射。地球轨道的第二朗格朗日点(L2)是一个太阳和地球的稳定平衡点,探测器在L2可以在地球的阴影里避免太阳的辐射。

日地系统的拉格朗日点

比微波波长再短的是红外。红外望远镜在光学系统上跟光学望远镜是一样的,只是用来接收红外光子和可见光光子的CCD不一样而已。如今,红外天文学在研究早期宇宙的星系形成等课题上越来越重要,因为高红移使得遥远星系辐射的可见光甚至紫外光在被我们接收的时候都变成了红外光。哈勃望远镜的继任者JWST就是主要工作在红外波段,将于2019年发射至L2。用来寻找地外行星的赫歇尔望远镜(Herschel)也是红外的。

将于2019年发射的詹姆士韦伯望远镜(JWST)

赫歇尔望远镜(Herschel)

由波音747飞机搭载的SOFIA红外望远镜

比可见光波长短的是紫外、X射线和伽马射线,这些波段的光会被地球大气吸收,所以只能通过高空气球、火箭和太空卫星到大气层外面进行观测。我博士期间做的是X-ray观测,所以我只能呆坐在电脑前下载这些望远镜的数据,同时在网上默默浏览那些做光学和红外的同学在夏威夷和智利的天文台拍的照片...不过还是要感谢这几个X射线望远镜提供的数据和资金让我完成了博士课题。

霍普金斯紫外天文望远镜、钱德拉X射线天文台以及Swift伽马射线望远镜

天文爱好者望远镜

上面介绍完天文望远镜的历史,趁此机会就说一句关于天文爱好者购买业余望远镜的注意事项,那就是不要在超市买望远镜!常有初级天文爱好者或者孩子家长问我买什么望远镜比较好,我的回答是:天文望远镜分两种,一种是不能用的,一种是舍不得买的。以下这些在超市货架上销售的望远镜就属于不能用的,切记不要浪费钱买这些。

便宜但没法用的超市望远镜

最后贴一下我和我的望远镜们

本站仅提供存储服务,所有内容均由用户发布,如发现有害或侵权内容,请点击举报
打开APP,阅读全文并永久保存 查看更多类似文章
猜你喜欢
类似文章
【热】打开小程序,算一算2024你的财运
天文望远镜演变历史
望远镜:“第三只眼睛”看世界
星空天文网·天文观测
天文望远镜的诞生与发展
天文望远镜:追逐星辰大海的眼睛
观星400余年,人类终于“看到”宇宙深处……
更多类似文章 >>
生活服务
热点新闻
分享 收藏 导长图 关注 下载文章
绑定账号成功
后续可登录账号畅享VIP特权!
如果VIP功能使用有故障,
可点击这里联系客服!

联系客服