神奇的天文望遠鏡

☉袁位 主編

1608年，荷蘭的一位眼鏡匠漢斯·利伯希（HansLippershey）偶然發現利用兩塊眼鏡片在特定的位置下，可以將遠處的物體放大拉近，于是制作了世界上第一臺望遠鏡。望遠鏡能夠使觀測者輕易地觀察遠處物體的原因在于兩點：一是望遠鏡利用光路系統將遠處物體的視角放大；二是望遠鏡通過更大的物鏡接收來自被觀測物體更多的光線，使觀測者能夠看到更多暗弱的細節。1609年，伽利略采用這種方法制作了世界上第一臺天文望遠鏡。該望遠鏡的放大倍率為40倍。自伽利略使用望遠鏡觀測宇宙后，天文學得到了跨越式的發展。現如今，各種功能強大的望遠鏡層出不窮，這些望遠鏡與伽利略制作出的望遠鏡有什么不同？又有哪些望遠鏡被應用到了天文研究與天文觀測中了呢？

伽利略望遠鏡

我們都知道，可見光是電磁波譜上的一個特定波段。根據觀測波段的不同，可以將望遠鏡分為射電望遠鏡、紅外望遠鏡、可見光望遠鏡、紫外望遠鏡、X射線望遠鏡與γ射線望遠鏡。按照望遠鏡光路的設計，可以分為折射望遠鏡（伽利略式、開普勒式）、反射望遠鏡（牛頓式、卡塞格林式）與折反射望遠鏡（施密特-卡塞格林式、馬克蘇托夫-卡塞格林式）。按照望遠鏡所在位置，還可以分為地面望遠鏡與空間望遠鏡。

一、折射望遠鏡

折射望遠鏡是望遠鏡最早的形式。折射望遠鏡的物鏡端為凸透鏡，目鏡端為凹透鏡（伽利略式）或凸透鏡（開普勒式）。相對伽利略式望遠鏡，開普勒式望遠鏡的視場更大，光學性能優良，成像效果更好，因此自發明以后成為折射望遠鏡主要采用的光路系統。開普勒折射望遠鏡的主要缺點是成像為倒像，因此有些便攜式望遠鏡需要加裝正像光路系統。

折射望遠鏡主要有兩個制約其發展的問題：

一是折射光路存在色差問題。不同波長的光（不同顏色）通過同樣材質的透鏡時折射率是不同的，因此通過折射望遠鏡后不同顏色光的焦點位置是不同的。這就導致在實際的觀測中，星體的像周圍會存在一圈彩色的光暈，影響觀測質量。盡管后來工程師利用不同材質透鏡作為消除色差的消色差鏡片，但是仍然無法完全消除折射望遠鏡的色差問題。

二是折射望遠鏡的物鏡受成本和制造工藝的限制，無法造出大口徑望遠鏡。由于透鏡的口徑與厚度成比例，大口徑的鏡片制作成本與難度會急劇增加。而且隨著折射望遠鏡口徑的增大，鏡筒長度也會大大增加望遠鏡的支撐強度。目前世界上最大的折射望遠鏡為1897年在美國葉凱士天文臺建的40英寸（1016毫米）折射望遠鏡，該望遠鏡至今仍在使用。

二、反射望遠鏡

卡塞格林式反射光路系統

相較于折射望遠鏡，反射望遠鏡主要采用一塊拋物面反射鏡作為主鏡，望遠鏡的焦點位于主鏡前方。1668年，牛頓在多次磨制透鏡未果的情況下，決定采用反射鏡來替代透鏡作為望遠鏡的主鏡，并使用一個平面鏡將光線從側面引出鏡筒，發明了牛頓式反射望遠鏡。卡塞格林則修改了牛頓式反射望遠鏡的光路，將鏡筒中的平面鏡改為雙曲面鏡，并從主鏡后方將光路引出鏡筒。卡塞格林式反射望遠鏡提高了主鏡的焦長，進而提升了望遠鏡的放大倍率。

望遠鏡的放大倍率指望遠鏡對于物體視張角的放大能力，計算方法為：

相較于折射望遠鏡，反射望遠鏡有三個主要的優點，使它成為現代天文學研究最主要使用的大口徑望遠鏡類型：

一是反射望遠鏡不需要光線透過介質進行折射，因此有效避免了色差問題。反射望遠鏡的主鏡與二次反射鏡均沒有光線透過，但是使光線反射的鍍膜精度較高并且暴露于空氣中，所以需要定期維護。或許細心的讀者會想到，目鏡是一個凸面鏡，為什么說反射鏡避免了色差呢？現代天文臺使用望遠鏡進行觀察時，主要使用電子感光元件（早年為底片）對觀測區域進行長時間曝光，獲得照片進行科學研究，因此并沒有目鏡結構。

二是反射望遠鏡的主鏡可以采用拼接的方法建造出更大的口徑。現代大口徑望遠鏡主要采用多塊反射鏡拼接的方法，將多塊直徑為1米左右的六邊形反射鏡拼接出直徑數米甚至數十米的主鏡而不影響觀測效果，使用拼接主鏡可以大大降低望遠鏡的造價，使得建造更強大的望遠鏡成為可能。目前在建的最大口徑望遠鏡為位于智利的E-ELT望遠鏡，其設計口徑達到42米，采用798塊小型六邊形反射鏡構成主鏡。

三是反射鏡背后可以采用主動調節系統，應對重力對鏡面造成的彎沉，提高觀測精度。目前世界上口徑最大的單片反射望遠鏡鏡面為位于美國亞利桑那州的LBT望遠鏡，它的主鏡面直徑為8.4米。其背后有數千個微型液壓作動裝置，以微米級別的精度調整鏡面的形狀，使之保持最佳形狀。

三、折反射望遠鏡

折反射望遠鏡的光路示意圖

折反射望遠鏡是在卡塞格林式反射望遠鏡的前方加裝折射鏡（矯正鏡）建造的望遠鏡。施密特-卡塞格林式折反射望遠鏡（簡稱施卡）與馬克蘇托夫-卡塞格林式折反射望遠鏡（簡稱馬卡）的主要區別在于矯正鏡。施卡采用一塊非球面透鏡作為矯正鏡，而馬卡采用彎月形改正鏡。施卡的視野比較大，集光能力強，成像效果良好；馬卡視野相對小，集光能力較弱，彎月改正鏡較厚重，但是成本較低，焦距更長。折反射望遠鏡將鏡筒內的光路折疊，因此在同樣的焦距條件下，折反射望遠鏡最輕便。折反射望遠鏡深得天文愛好者的喜愛。

天文臺也會使用大型施密特-卡塞格林式折反射望遠鏡進行天文研究。例如，目前我國最大口徑的光學望遠鏡——位于國家天文臺興隆觀測站的郭守敬望遠鏡（大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡）。這臺望遠鏡采用反射式施密特光學系統。主鏡口徑為6.5米，施密特改正鏡的口徑為4米，最大觀測視角為5°。望遠鏡焦點處采用光導纖維收集來自不同星體的光線，可以最多同時測定4000顆星的光譜。郭守敬望遠鏡是世界上光譜獲取率最高的望遠鏡。

四、射電望遠鏡

按照電磁波的波長排列，可以將電磁波繪制成一個連續的波譜。射電望遠鏡主要對天體發出的無線電波（射電波段）進行觀測。由于大氣層對無線電波波段的屏蔽效果較弱，射電望遠鏡的觀測基本不受天氣影響，加之無線電波對射電望遠鏡主鏡的材質要求較低，因此大口徑射電望遠鏡的設計建造相對于光學望遠鏡的難度要小。

射電望遠鏡在觀測時，會受到許多不同射電波段信號的干擾，這些干擾會給射電望遠鏡帶來噪聲信號——人類活動、太陽活動或來自衛星的通信。因此，提高射電望遠鏡觀測能力的主要方法是提高信號靈敏度，以便在噪聲信號中找到需要觀測研究的天體射電信號。提高射電望遠鏡靈敏度的主要方法是提高射電望遠鏡接收器的口徑；使用多個射電望遠鏡組成射電望遠鏡陣列可以提高射電望遠鏡的等效口徑，有助于提高射電望遠鏡的分辨率。

FAST射電望遠鏡

單個射電望遠鏡的口徑越大，意味著望遠鏡的接收面積越大，則望遠鏡的靈敏度越高，可以接收到更加暗弱的射電信號。多個小口徑射電望遠鏡組成的射電望遠鏡陣列中，最遠的兩臺望遠鏡距離相當于這個望遠鏡陣列的“等效口徑”。使用望遠鏡陣列可以提高信號的分辨率，但是由于其接收面積較小，并不能提升望遠鏡接收更暗弱信號的能力。

我國剛剛落成的球面射電望遠鏡(FAST)口徑為500米，是目前世界上單體口徑最大的射電望遠鏡，也是世界上最靈敏的射電望遠鏡。FAST位于我國貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣，利用喀斯特地貌所形成的天然洼坑建設而成。

五、空間望遠鏡

地球的大氣層是地球生命的保護傘。有了大氣層的保護，地球表面的白天不至于太熱，夜晚也不至于太冷（假設沒有大氣層的保護，如月球，白天在陽光垂直照射的地方溫度高達127攝氏度，而夜晚溫度則會降至-183攝氏度）。大氣層將太陽的紫外線和其他宇宙高能輻射與地面隔絕，給了生命穩定的生存、進化條件。但是對于天文觀測而言，大氣層則像是給望遠鏡戴上了一副厚厚的“眼鏡”，將許多特定波長的電磁波吸收，嚴重影響觀測效果。

哈勃空間望遠鏡

為了獲得更加良好的觀測效果，避免大氣層對望遠鏡觀測的影響，科學家與工程師向太空發射了空間望遠鏡。最具盛名的便是1990年升空、至今仍在服役的哈勃空間望遠鏡（HubbleSpaceTelescope）。哈勃空間望遠鏡的主鏡口徑為2.4米，可以對紅外波段、可見光和紫外波段進行觀測。哈勃空間望遠鏡堪稱天文學史上最重要的儀器。在軌27年來，它記錄了海量的高精度觀測數據。這些數據解決了許多懸而未決的天文學問題，使人類對宇宙的認識產生了深遠的進步。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡

哈勃空間望遠鏡發射升空后，全世界的天文學家都對它的表現充滿了期待。然而哈勃空間望遠鏡傳回的笫一批照片卻令天文學家們大失所望：所有照片似乎都像是近視眼看到的世界，星點都變成了圓形的光斑。原來是由于哈勃空間望遠鏡的主鏡在磨制時出現了2微米的誤差，才導致出現這種問題。1993年，工程師對哈勃空間望遠鏡進行了第一次空間維護：使用另一塊有反向誤差的副鏡取代光路上原有的完好的鏡片，使得哈勃空間望遠鏡的光路重新回歸正常。自此以后，哈勃空間望遠鏡帶領人類開始了宇宙的發現之旅，每一張傳回的照片都堪稱完美。截至2017年，工程師一共對哈勃空間望遠鏡進行過6次空間維護。

除哈勃空間望遠鏡以外，科學家、工程師還向太空發射了許多針對不同波段的太空望遠鏡或實驗平臺，如斯皮策太空望遠鏡、錢德拉X射線太空望遠鏡、康普頓伽馬射線天文臺衛星等，這些空間望遠鏡所觀測的波段大多在地面無法實現。還有即將發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，計劃中將取代哈勃空間望遠鏡成為新一代主力太空望遠鏡。