用液体制作天文望远镜 伽利略望远镜与开普勒望远镜 世界上第一架天文望远镜是意大利科学家伽利略于1609年发明的,当时只能将物体放大3倍。后来这架望远镜经过伽利略不断改进,能将物体放大30倍。他用这台望远镜观测天象,获得了月球表面的环形山、太阳黑子、金星盈亏等重大发现。他的天文望远镜是用荷兰人利比斯赫设计的水晶透镜制造的,镜筒的一端为凹透镜,另一端为凸透镜。 后来,德国天文学家开普勒又发明了一种天文望远镜,是用两块凸透镜组合起来的。
用开普勒望远镜观看远处天体时,影像是上下颠倒的实像。这对天文观测没有太大的妨碍,只要记住影像是颠倒的这一点,并在镜筒的实像位置上划一个十字线,研究天体就不会有什么差错。 不管是伽利略望远镜还是开普勒望远镜,都是利用光折射成像原理制成的折射式望远镜。这些望远镜会出现一个共同的缺点——球差和色差。球差是因为透镜边缘和中心厚度不一样而造成的,从透镜不同地方透射出来的光线不能聚在同一焦面上,造成天体图像变形。色差是指因透镜的色散而造成望远镜所观测的天体图像上存在无关的颜色。另外,折射式望远镜的口径越大,镜筒就越大,给望远镜的
用液体制作天文望远镜 伽利略望远镜与开普勒望远镜 世界上第一架天文望远镜是意大利科学家伽利略于1609年发明的,当时只能将物体放大3倍。后来这架望远镜经过伽利略不断改进,能将物体放大30倍。他用这台望远镜观测天象,获得了月球表面的环形山、太阳黑子、金星盈亏等重大发现。他的天文望远镜是用荷兰人利比斯赫设计的水晶透镜制造的,镜筒的一端为凹透镜,另一端为凸透镜。 后来,德国天文学家开普勒又发明了一种天文望远镜,是用两块凸透镜组合起来的。用开普勒望远镜观看远处天体时,影像是上下颠倒的实像。这对天文观测没有太大的妨碍,只要记住影像是颠倒的这一点,并在镜筒的实像位置上划一个十字线,研究天体就不会有什么差错。
不管是伽利略望远镜还是开普勒望远镜,都是利用光折射成像原理制成的折射式望远镜。这些望远镜会出现一个共同的缺点——球差和色差。球差是因为透镜边缘和中心厚度不一样而造成的,从透镜不同地方透射出来的光线不能聚在同一焦面上,造成天体图像变形。色差是指因透镜的色散而造成望远镜所观测的天体图像上存在无关的颜色。另外,折射式望远镜的口径越大,镜筒就越大,给望远镜的安装和使用带来不便。 牛顿的反射式望远镜 为了克服折射式望远镜的缺点,英国物理学家牛顿用凹面镜代替凸透镜聚光,再使光线通过凸透镜成像,这就是历史上第一台反射式望远镜。他用这台望远镜清楚地看到了木星的卫星及金星的盈亏。
牛顿的第一台反射式望远镜内的凹面镜,直径只有12.7厘米,其观测范围很有限。而天文望远镜的目的是要观测和收集遥远的天体发出的光线并使其形成影像。为了对天体作更加仔细的研究和观测更暗弱的天体,最重要的手段就是增大望远镜的口径。因此,现代反射式望远镜的口径越做越大。1795年,英国制造了一台口径为1.30米的反射式望远镜,它的反射式望远镜和凸透镜之间的距离达13米,质量达1吨。自那以后,美国和苏联相继制成口径更大的反射式望远镜。如美国在帕洛马山天文台安装了一台口径为5米的大型反射式望远镜;苏联在高加索的一个天文台安装了一架口径达6米的反射式望远镜。 望远镜的口径做得越大,天文学家可观测到的天体就越多,并且观测到的细节也越来越丰富,甚至可观测到围绕其他恒星运行的行星。
但是凹面镜越造越大,其镜面的加工难度也越大。大型反射式望远镜的加工难度可以从加工凹面镜的过程得到证明。生产一面直径为3.58米的凹面镜,要用45吨玻璃。工人们先将玻璃熔化,然后缓缓注入一个碟子形的模子里,模子直径达8米。当温度为1400℃的液体玻璃全部注入模子后,再将模子移到一个转台上,以每分钟6圈的速度转动,利用离心力使熔化的玻璃布满碟子的内表面,待玻璃冷却到800℃后,连同模子放进一个巨型炉中,使直径8米多、厚度17厘米的玻璃碟在3个月内逐渐冷却。如此缓慢的冷却是为了防止产生内应力,以免玻璃碎裂。此后,玻璃碟还要经过长达8个月的热处理,才能进行研磨抛光。
研磨后,在凹面上镀上一层铝,接着在中心钻一个直径约1米的孔。经过这一系列工序,才能得到一块质量为23吨、直径为3.58米的反射凹面镜。整个加工过程要花费两年时间。 液体望远镜的问世 因为制造一面巨型反射凹面镜特别费事,所以科学家们开始探索减轻反射凹面镜重量和简化制造工艺的途径,有些科学家就提出用水银来制作望远镜的想法。1987年,一批加拿大的天文学家终于制造出一架口径为1.5米的水银液体望远镜。制作水银反射式望远镜特别简单,水银反射式望远镜的凹面用45秒的时间就可以成形。技术人员先把水银注入一个抛物面形的盘子中,使其覆盖盘子的大部分表面。
然后旋转盘子,使水银在离心力的作用下散开,形成一层1~2毫米厚的抛物面薄膜。由于水银有较大的表面张力,制作完成的水银表面上有时会出一些小孔。当出现这种情况时,可以重复操作一次。一般的操作人员经过几天的实际练习,都能“旋转”出完全没有小孔的光洁如镜的水银薄膜凹面镜。这种水银反射式望远镜的价格比玻璃反射式望远镜便宜得多。目前,加拿大的天文学家正在筹建口径为5~15米的巨型水银反射式望远镜。他们的长远目标是建造口径为30米的大型水银反射式望远镜,以便观测更远处的天体。 天文学家下一步的目标之一就是要制造口径为20~100米的超大型反射式望远镜,而用玻璃制造这样大的单镜面反射式望远镜几乎是不可能的。
但是,由于水银反射式望远镜具有成本低和重量轻的特点,利用水银则完全可能制造出超大口径的反射式望远镜。一些天文学家正在制作口径为12米的水银反射式望远镜,然后用18台这种水银反射式望远镜组成一个望远镜阵列,这个阵列就相当于一架口径为50米的大型反射式望远镜。 水银反射式望远镜的弱点 水银反射式望远镜的最大弱点是只能垂直观测上方的一小块天空,不能倾斜,否则水银就会溢出,因此观测的天空区域狭窄,就像“坐井观天”。
后来,天文学家又制造出了可以旋转的水银反射式望远镜,这样不仅能观测正上方非常狭小的天空,而且在天体经过水银反射式望远镜上方时望远镜还可以通过旋转跟踪天体半小时。对水银反射式望远镜而言,这是一个不小的进展。现在,天文学家甚至能通过改变水银盘的旋转速度,改变水银反射式望远镜的焦距。 水银反射式望远镜的另外一个缺点就是会挥发出有毒的水银蒸气。在镜面开始形成时,水银蒸气量较大,操作人员应戴上防护面罩。但几小时后,在表面形成一层氧化膜,水银的蒸发量就会大大减少。 水银反射式望远镜还有一个缺点是怕振动和风吹。由于水银形成的是凹面,望远镜微小的振动都会影响其凹面的精度,因此,水银反射式望远镜需要安装在混凝土底座上,并和周围的建筑物隔离。
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