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坐观星河:天文望远镜发展简史(组图)

2012-02-08  夏赟阳
坐观星河:天文望远镜发展简史(组图)
东方热线·快讯 | 来源2008-6-12 8:59:19中国国家天文

中国国家天文:坐观星河(3)
牛顿望远镜

  折射望远镜的巅峰

  折射望远镜曾经为天文学带来了众多的新发现。对此,我们可以再次从伽利略说起。1610年,伽利略从望远镜中看到,土星两侧仿佛各有一个附属物。他想,也许它们是土星的卫星吧?然而,日复一日,这两个附属物却越缩越小,两年后,竟然完全消失不见了。更使伽利略大惑不解的是,1616年,那些奇怪的附属物又在他的望远镜中出现了。这位科学老人终其一生也没弄明白那究竟是什么东西。

  1629年在海牙出生的惠更斯热衷于研磨透镜,并得到犹太裔的荷兰著名哲学家、技艺高超的磨镜行家斯宾诺莎的帮助。惠更斯的望远镜远胜于伽利略的那些,这使他在1656年终于看清,那些奇怪的附属物原来是环绕土星的一圈光环。惠更斯正确地解释了土星光环形状不断变化的原因:它以不同的角度朝向我们,当我们朝它的侧边看去时,薄薄的光环便仿佛消失不见了。

  1655年3月25日,惠更斯发现了土星的第一颗卫星,它被命名为泰坦。泰坦是一个巨人神族。他们都是天神和地神的孩子,每个成员又各有自己的名字。后来,新发现的土卫越来越多了,泰坦被编号为土卫六。它是一颗巨大的卫星,每16天就绕土星转一圈。今天我们知道,其大气组成成分与地球大气相仿。

  然后,卡西尼于1671年10月发现了土卫八,1672年12月发现了土卫五,1684年3月又发现了土卫三和土卫四。1675年,卡西尼发现土星光环中有一道又细又暗的缝隙,后来称为卡西尼环缝。环缝外侧的那部分光环叫做A环,环缝里侧的部分则叫B环。1837年,恩克又发现A环内部还有一道缝隙,后来称为恩克环。

  1898年,美国天文学家威廉?亨利?皮克林发现了土卫九。它到土星的距离远达1300万千米,为月球到地球距离的33倍有余。它是19世纪发现的最后一颗卫星,也是人们使用照相方法发现的第一颗卫星。

  19世纪初,年轻的德国光学家夫琅和费制成一块直径24厘米的优质透镜,用它造出了当时世界上最大最好的折射望远镜。望远镜装在一根轴上,使之可以俯仰;轴又装在一个轮子上,使之可沿水平方向转动。夫琅和费为它设计的平衡装置非常精妙,以至于用一个手指就可以推动这架镜身长4.3米的折射镜。

  也是在19世纪上半期,一个只有几十年历史的新兴国家——美国加入了天文望远镜的竞赛。一位钟表匠威廉?克兰奇?邦德自学成材,于1847年被任命为哈佛学院天文台台长。他是天体照相技术的先驱,致力于将天体的像聚焦到照相底片上,而不是聚焦在眼睛的视网膜上。1849年12月18日,他用一架公众捐款建造的38厘米折射望远镜,拍摄了月球照片。在20分钟曝光期间,望远镜靠钟表机构带动,始终对准月球。这张照片太逼真了!他的儿子乔治?菲利普斯?邦德把它带到在伦敦“水晶宫”举办的第一届万国博览会上,引起了巨大的轰动。

  以肖像画为业的美国人阿尔万?克拉克渴望磨制透镜。他仔细考察了邦德那架38厘米的折射镜,并检测了它与理想状况的微小偏离。然后,他关闭画室,潜心研究怎样才能磨制出比它更好的透镜。后来,他在儿子阿尔万?格雷厄姆?克拉克的帮助下开了一家工厂。1870年,克拉克父子接下美国海军天文台建造66厘米折射望远镜的定单。它的透镜重达45千克,镜身长13米,质量极佳。

  美国金融家利克在1849年加利福尼亚黄金热期间,在不动产方面赚了不少钱。他渴望为自己树碑立传,便于1874年宣称,将留下70万美元——这在当时远比现在值钱得多,用来建造一架比当时所有的天文望远镜都更大更好的望远镜。工作主要由小克拉克承担,14年后,一块口径91厘米的透镜终于制成,并装入长18.3米的镜筒。这架折射望远镜被命名为利克望远镜,于1888年1月3日正式启用。利克几年前就去世了,根据他临终时的要求,他的遗体埋在安装望远镜的基墩里。它所在的那个天文台坐落于加利福尼亚州北部圣何塞以东21千米的汉密尔顿山上,被命名为利克天文台。

  1892年,天文学家巴纳德使用利克望远镜发现了木星的第五颗卫星,即木卫五。它的直径只有110千米,还不及北京到天津那么长。木卫五离木星表面仅108000千米。发现这样又小又暗的天体——况且它又如此接近木星本身占压倒优势的光辉,必须拥有极好的透镜和极敏锐的眼睛,巴纳德很幸运地两者兼备了。木卫五是用眼睛发现的最后一个太阳系天体。此后,这类发现就要归功于望远镜上的照相设备以及空间时代更新颖的技术了。

  南加利福尼亚大学想要拥有一架比利克望远镜更好的折射望远镜,遂向克拉克订购一块102厘米的透镜。但是,在克拉克为此投入2万美元之后,这所大学却无法筹齐所需的资金。幸好,天文学家乔治?埃勒里?海尔这时前来解围了。

  当时,海尔才20多岁,是芝加哥大学天体物理学助理教授。他获悉金融家查尔斯?叶凯士控制了整个芝加哥的交通,用不甚正当的手段赚得了巨额钱财。为什么不想法把这种不义之财用来发展科学呢?于是,从1892年起,海尔就盯上了叶凯士这个猎物。

  海尔生于1868年6月29日,从小爱读文学名著和诗。他意志坚强又娴于辞令,在他的不断游说下,叶凯士不由得把钱一点一点地掏出了腰包。最后这位金融家为新望远镜和安装它的新天文台提供的款项总额达到了349000美元。这个数字的实际价值要比今天高得多!

  海尔在芝加哥西北约130千米处选了一个地点,叶凯士天文台就建在那里。1895年10月,年逾花甲的小克拉克为海尔磨好了102厘米的透镜,它重达230千克,装在一架长逾18米的望远镜里。整个望远镜重达18吨,但是平衡极佳,用很小的推力就可以让它转动并瞄准天空的任何部分。

  1897年5月21日,这架折射望远镜首次启用。小克拉克在目睹折射望远镜的这一辉煌胜利之后三个星期去世了。今天,叶凯士望远镜和利克望远镜依然在世界上保持着折射望远镜的冠军和亚军称号。

  事实上,折射望远镜已经达到它的巅峰,它的路也走到了尽头。首先,极难得到可供制造透镜的尺寸很大而又完美无暇的光学玻璃。整个19世纪和20世纪的技术进展,并未使造出一块足以超越叶凯士折射望远镜的透镜玻璃变得更容易些。其次,因为光线必须透过整块玻璃,所以透镜只能在边缘上支承。巨型透镜分量很重,得不到支撑的透镜中央部分就会往下凹陷,整块透镜就会变形。透镜的尺寸越大,问题也就越严重。

  那么,另一方面,反射望远镜的情形又如何呢?

  从“列维亚森”到帕洛马山

  “列维亚森”的时代

  威廉.赫歇尔的金属镜面大型反射望远镜尚“健在”时,就有人决心要在这方面超过他,后者就是爱尔兰人威廉?帕森斯。

  威廉?帕森斯1800年6月17日生于英国的约克,1841年,他子袭父位,成为第三代罗斯伯爵,后世天文学家普遍称他为罗斯。1845年,爱尔兰将他选进上议院。他是一位真正的贵族,在著名天文学家中,出自如此“高贵门第”的人为数极少。

  罗斯的最大嗜好,就是建造世界上最大的望远镜。他有足够的金钱,有充裕的时间,有必要的技术知识,还可以训练佃户来干活。他将望远镜安置在自家的领地上,那里的地名叫比尔,几乎位于爱尔兰岛的正中央。遗憾的是,当地气候不佳,故对天文观测很不相宜。

  罗斯花了5年时间,才研究出一种适合制造反射镜的铜锡合金。他从1827年开始,先造了一面直径38厘米的反射镜,接着又造了直径61厘米的,1840年又造出一面91厘米的反射镜。1842年,罗斯开始铸造一块直径1.84米的反射镜,它的面积是赫歇尔那架最大的望远镜的2.25倍。那年4月13日,反射镜铸成,然后缓慢地冷却了16个星期。镜面磨好后,刚要装到望远镜上就开裂了。罗斯只好重新铸造,直到第五次才大功告成。

  这架望远镜的镜筒用厚木板制成,并用铁箍加固。镜筒长17米,直径2.4米。为了挡风,镜筒安置在两道高墙之间。每道墙高17米,长22米,沿南北走向,因此望远镜基本上只能沿南北方向观测,在东西方向最多只能偏转15o。

  这块反射镜重达3.6吨,把它装进镜筒很不容易,直到1845年2月才能测试和使用。为了与赫歇尔一比高下,罗斯观测了赫歇尔曾经研究过的各种星云。他发现梅西叶表中的M51看上去像是旋涡状的,遂使人们在1845年知道了第一个“旋涡星云”。1848年,罗斯发现梅西叶表中的头号天体M1内部贯穿着许多不规则的明亮细线。罗斯觉得它很像一只螃蟹,故称其为“蟹状星云”,这个名字一直沿用至今。日后的事实证明,这两项发现都具有头等重要的意义。

  罗斯这架巨大的望远镜,通常以“列维亚森”(Leviathan)著称。“列维亚森”原是《圣经?旧约》中描述的一种海怪,中文版《圣经》将它译为“鳄鱼”。它鳞甲坚固,牙齿可畏,鼻孔冒烟,刀枪不入,力大无穷;它视铁为干草、铜为烂木,实为水族之王。后来,英语中就用“列维亚森”来称呼那些庞然大物,例如巨型轮船、强大的国家或极有权势的人。

  英国酿酒师拉塞尔也想建造大的反射望远镜,就在1844年参观了罗斯的领地,考察“列维亚森”是如何制造的。拉塞尔造了一架口径61厘米的望远镜,继而又造了一架1.22米的反射望远镜。他的镜子不如罗斯的那么大,但在另外两方面却超过了罗斯。

  首先,拉塞尔率先把夫琅和费装在折射望远镜上的那种装置用到了反射望远镜上,从而使操作变得非常方便。此外,他强烈地意识到,天文台必须建造在大气条件适宜观测的地方,于是把自己的仪器运到当时的英国属地马耳他岛。

  罗斯的“列维亚森”存在了60年,它老了,变得摇摇晃晃。1908年,他的一个孙子把它卸了下来。它没有做出太多的天文发现,但为它的制造者增添了生活乐趣。

  海尔的杰作

  金属镜面很重,价格昂贵,易于腐蚀,而且随环境温度变化还会显著变形。于是人们又想到了玻璃,它的重量比较轻,价格低廉,耐腐蚀,比金属更容易研磨成形,经过抛光可以变得非常光洁。但问题在于玻璃很透明,怎样用它来制造反射镜呢?

  人们发明了在玻璃上镀银的方法。沉积在玻璃上的银膜很牢固,可以轻轻地抛光,从而可以高效地反射光线。20世纪初叶,镀铝技术取代了镀银。铝膜可以将落到它上面的光反射82%,新镀的银膜却只能反射65%。

  1908年,海尔建成一架口径153厘米的反射望远镜。当然,其镜面是玻璃的。它安装在加利福尼亚州帕萨迪纳附近的威尔逊山天文台上。该台于1905年落成,海尔亲任台长。

  在此之前,海尔已经说服一位洛杉矶商人胡克投资建造一架口径212厘米的大型反射望远镜。胡克急于将自己的名字与世界上最大的望远镜联系在一起,并且不希望很快就被别人超过,所以甚至主动增加了赠款,希望将望远镜的口径增大到254厘米,即恰好100英寸。

  第一次世界大战延误了计划,但后来总算顺利。这架望远镜全重达90吨,于1917年11月启用。它操作方便,能以很高的精度跟踪恒星。长达30年之久,它一直是世界上的反射望远镜之王,并为天文学作出了卓越的贡献。

  1923年,海尔因身体欠佳退休了。随着帕萨迪纳、尤其是洛杉矶的迅速发展,夜晚的城市灯光严重地威胁着威尔逊山的天文观测。“退休”的海尔又到威尔逊山东南约145千米处另觅了一处台址,它在帕洛马山上,当时人类尚未开发这块处女地。他决定在那儿建一架口径508厘米(200英寸)的反射望远镜,1929年从洛克菲勒基金会获得一笔款子,他便着手干了起来。

  人们为这项浩大的工程付出了史诗般的巨大努力。508厘米的反射镜比先前任何望远镜使用的镜子更大、更厚、也更重。在这么一大块玻璃中,即使很小的温度变化也会因膨胀或收缩而影响反射镜面的精度。为此,整块玻璃的背面浇铸成了蜂窝状,这使镜子的重量比一个矮胖的实心圆柱减小了一半以上;这种结构使整块反射镜内的任何一点离玻璃表面都不超过5厘米,温度变化将较为迅速地在整块玻璃中达到均衡。浇铸好的玻璃毛坯,在严格的温度控制下花了10个月时间慢慢地冷却;在冷却过程中,附近河流泛滥,镜坯死里逃生,而且它还经受了一次轻微地震的考验。镜坯是在纽约州的康宁玻璃厂生产的,它必须横越整个美国,运到加利福尼亚的帕洛马山;为了稳妥起见,火车昼行夜宿,时速从不超过40千米;它走的是一条专线,以减少遇上桥梁和隧道的麻烦。这块玻璃连同它的装箱,宽度显著地超出5米,经过不少地方时,允许通行的空间往往只剩下了区区几厘米。接下来是长时间的研磨和抛光,总共用掉了31吨磨料。最后成型时,反射镜本身重达14.5吨,镜筒重140吨,整个望远镜的可动部分竟重达530吨!

  海尔于1938年2月21日在帕萨迪纳与世长辞,未能目睹这架望远镜竣工。1948年6月3日,人们终于为这具硕大无朋的仪器举行了落成典礼。后来,人们在帕洛马山天文台的门厅中塑了一座海尔半身像,铜牌上写着:

  “这架200英寸望远镜以乔治?埃勒里?海尔命名,他的远见卓识和亲自领导使之变成了现实。”

  1969年12月,威尔逊山和帕洛马山两座天文台重新命名,统称为海尔天文台。

  全新的思路

  天文望远镜的口径越大,收集到的光就越多,就能探测到越远越暗的天体。与此同时,一架望远镜的口径越大,分辨细节的本领也就越高。这对天文观测来说,同样至关重要。

  不过,大也有大的难处。大型反射望远镜仅仅对它直接指向的那一小块天空,才能形成优质的星像,才能拍下极其清晰的照片。在这一小块天空以外,拍摄的照片都将因失真太大而无法使用。通常,望远镜的口径越大,每次能够高精度地进行观测的天空范围也就越小。例如,用威尔逊山上那架口径254厘米的胡克望远镜,每次只能观测像满月那么大小的一块天空。海尔望远镜的视场甚至比这更小。如果用大型反射望远镜拍摄星空,每次一小块一小块地拼起来,直到覆盖整个天空,那就需要拍摄几十万甚至几百万次。大望远镜的这一弱点,使它们难以胜任“巡天”观测。

  那么,“巡天”究竟是什么意思呢?

  天文学上最普遍的“巡天”,相当于对天体进行“户口普查”,它为大量天文研究工作提供最基本的素材。正如普查人口之后,就可以根据不同的特征——性别、民族、年龄等,对“人”进行分门别类的统计研究那样,对天体进行“户口普查”后也可以根据不同的特征——亮度、距离、光谱类型等,对它们进行分门别类的统计研究。

  要想在不太长的时间内完成一次天体的“户口普查”,望远镜的视场就不能太小,因而其口径就不能太大。另一方面,为了看清很暗的天体,望远镜又必须足够地大。这两者是有矛盾的。那么,有没有可能“鱼与熊掌得兼”,造出一种口径既大、视场也大的新型天文望远镜呢?

  早在20世纪20年代,旅德俄国光学家施密特就开始朝这个方向迈出了第一步。施密特生于1879年3月30日,他接受的正规教育十分有限,但自学光学很有成绩。施密特早年就喜欢做实验,并为此付出了高昂的代价。他把火药塞进一根钢管,然后点燃它,爆炸效果令人满意,但是却炸掉了他的右手和右前臂。后来,他不得不用一条胳膊来研磨他的透镜和反射镜。

  施密特想出一种同时使用反射镜和透镜的方案。1930年,他研制成功第一架“折反射望远镜”:用球面反射镜作为主镜,在它的球心处安放一块“改正透镜”。改正透镜的形状特殊,中间最厚,边缘较薄,最薄的地方则介于中间与边缘之间。改正透镜设计得使透过它的光线经过折射以后恰好能弥补反射镜引起的球差,同时又不会产生明显的色差和其他像差。这就是所谓的“施密特望远镜”,它使望远镜的有效视场增大了许多。世界上最大的施密特望远镜安装在德国的陶登堡天文台,其主镜和改正透镜的口径分别为2.03米和1.34米。

  施密特望远镜的视场宽阔,使它在“巡天”工作中起到了无可替代的巨大作用。例如,美国的帕洛马山天文台,以及位于澳大利亚的英澳赛丁泉天文台各用一架主镜口径1.22米的施密特望远镜巡天,记录了全天约10亿个天体的位置、形状等信息。

  施密特望远镜使用了透镜,这使它也像折射望远镜那样不可能做得太大。那么,能不能用一块“改正反射镜”来代替“改正透镜”呢?

  如何研制“反射式施密特望远镜”,正是20世纪90年代以来国际天文界共同关心的问题。只有做到这一点,才能将整个望远镜的口径和视场同时做得很大。我国天文学家在这方面的研究处于比较先进的地位。预期在2010年前,反射式施密特望远镜就将成为现实。

  在一架施密特望远镜拍摄的单张底片上,所包含的星像可多达上百万颗。如果在某张底片上发现了什么特别有趣或者可疑的东西,这时就该进而利用巨型反射望远镜来更加精细地考察它们了。

  因此,即使有了施密特望远镜,我们也还需要越来越大的反射望远镜。但是,不少科学家认为,材料、设计、工艺、结构等多方面的重重困难,似乎已经使制造更大的反射望远镜成了镜花水月。例如,制造大块光学玻璃本身就是一大难题,而且它只要有极微小——例如温度变化所致——的形变,就会使星像变得模糊,从而使望远镜的威力大减。因此,海尔望远镜在落成后的30年内,始终仿佛鹤立鸡群,没有任何新的望远镜可以与之媲美。

  苏联人曾经造出一架口径6米的反射望远镜,其镜体重77吨,长25米,整个可动部分重达800吨。1976年,这架6米望远镜终于竣工,可惜其性能并不尽如人意。

  然而,人类的认识能力和创造能力是无穷的,天文望远镜的前景依然光明,关键在于设计思想的革命。

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