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宇宙之大望远镜

2014-06-27  负鹏载舟
(科普2013-06-08 16:23:51)

宇宙之大望远镜
太空中的哈勃望远镜
大望远镜(large telescope)
指大口径的天文望远镜。天文观测的对象大多数是遥远的暗弱天体。只有采用口径尽量大的望远镜,收集更多的天体辐射,才能发现新的天体或对暗弱天体有效地进行照相,以及进行光度、分光等方面的测量和研究。近年来,由于天文像复原技术的发展,地面光学观测已在某些应用中突破大气限制,达到衍射限制的分辨本领。增大口径是提高望远镜分辨本领的一个重要途径。目前,望远镜的口径几乎增大到工程技术所能容许的限度。各种可能采用的新技术不断应用到望远镜上,大望远镜已成为综合精密光学机械和先进电子技术的巨型仪器。

早在1897年,美国叶凯士天文台安装了一台口径为1.02米的折射望远镜。由于大直径透射光学材料制备困难,透镜加厚吸光量就会增加(在紫外、红外区尤为严重);由于透镜由边缘支承,自重变形较大,加上镜筒过长,都给机械结构带来麻烦;此外大口径的透镜也会有残余色差,这些困难都限制了大口径折射望远镜的进一步发展。折反射望远镜同样也在一定程度上受到改正镜的透射材料的限制,最大的折反射望远镜是1960年在德意志民主共和国陶登堡史瓦西天文台安装的施密特望远镜。它的改正镜口径为1.34米,主镜口径为2米。其次是美国帕洛马山天文台的施密特望远镜,口径1.2米。

反射镜的材料相对来说比较容易解决,没有色差,反射的波段又宽,而且可从背面均匀地支承,因此,更大的望远镜都是反射系统的。目前世界上口径 2.5米以上的反射望远镜已有14台,还有4台在建造中。1948年,美国帕洛马山天文台建造了一台口径5米的反射望远镜,主镜采用硼硅酸玻璃,焦距16.5米,采用十分结实的马蹄形赤道式装置,总重500吨的转动部分用摩擦系数很低的油垫轴承支承。1975年,苏联建成一台口径6米的反射望远镜,主镜焦距24米,有两个等值焦距180米的耐司姆斯焦点。为解决基架重力变形问题,采用地平式装置,造价比赤道式装置便宜一半。转动部分总重 800吨。整块镜面的反射望远镜,其造价大约按口径的2~3次方而增大。进一步增大口径,镜面材料的制备将会遇到更多的困难。

为探索更大口径望远镜的制造途径,1979年制成了多镜面望远镜,它是用6台口径1.8米望远镜组合成的一台等值口径4.5米的望远镜,采用地平式装置,仪器和观测室的尺寸比一般结构的望远镜显著缩小。此外,由于电子计算技术的发展,大望远镜有采用地平式装置的趋向。

制造光学反射镜面的材料。人们最早是使用镜铜(一种铜锡合金)制造反射面。F.W.赫歇耳在1789年建造的一架口径1.22米的望远镜中使用的就是镜铜质的主镜。但镜铜材料重,镜面加工困难,抛光后的反射率不高,也不耐久。自发明用化学镀银和真空镀铝等方法而获得高反射率镀层之后,对镜面材料本身的反射率已无要求。人们就采用抛光性能优良、热膨胀系数较小的玻璃来制造光学镜面。膨胀系数较小的硼硅酸玻璃,长期以来是制造大镜面的主要材料。目前直径 6米和 5米的反射镜就是用这种材料制成的。膨胀系数更小的熔石英曾被认为是理想的镜面材料,但熔炼很困难,直到1970年前后才制造出数块直径4米的熔石英镜坯。在发现了膨胀系数接近于零的微晶玻璃以后,已改用这种材料制造大型镜面。中国在1978年成功地浇注出直径 2.2米的微晶玻璃镜坯。金属虽有较大的膨胀系数,但具有很高的导热率,能较快地和周围环境温度达到平衡,且可采用高效率的切削加工,所以也受到人们的重视。例如,大型红外望远镜中大量使用铝质反射镜;空间探测仪器中则广泛使用强度高而比重小的铍质镜面。一般金属的抛光性能较差,通常需要在表面加镀一层抛光性能好的材料(如化学镀镍层),再进行光学精密加工。这些因素减轻了大望远镜结构上的困难,降低了造价。目前正在研制的下一代望远镜,将充分利用工程技术上的新成就,为天文学发展提供更有力的武器。

宇宙之大望远镜
在航天飞机上拍摄的哈勃空间望远镜

宇宙之大望远镜
1979年5月,在康涅狄格州丹柏立的Perkin-Elmer公司抛光中的哈勃主镜和工程师马丁椰林博士。
宇宙之大望远镜
1980年,建造中的哈勃望远镜。

宇宙之大望远镜
科学家与哈勃望远镜的主镜面。

宇宙之大望远镜
1990年4月24日由发现号航天飞机将望远镜成功的送入计划中的轨道。
宇宙之大望远镜
望远镜从航天飞机货仓释放

宇宙之大望远镜
宇航员维修望远镜
著名的哈勃空间望远镜是一台在太空工作的望远镜,它是人类高科技的结晶,目前我们欣赏的大部分精彩宇宙图像都要归功于它。

宇宙之大望远镜
哈勃望远镜传输信号过程

哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope,缩写为HST),是以天文学家爱德温·哈勃为名,在地球轨道的望远镜。哈勃望远镜接收地面控制中心(美国马里兰州的霍普金斯大学内)的指令并将各种观测数据通过无线电传输回地球。由于它位于地球大气层之上,因此获得了地基望远镜所没有的好处:影像不受大气湍流的扰动、视相度绝佳,且无大气散射造成的背景光,还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。于1990年发射之后,已经成为天文史上最重要的仪器。它成功弥补了地面观测的不足,帮助天文学家解决了许多天文学上的基本问题,使得人类对天文物理有更多的认识。此外,哈勃的超深空视场则是天文学家目前能获得的最深入、也是最敏锐的太空光学影像。

从它于1946年的原始构想开始,直到发射为止,建造空间望远镜的计划不断的被延迟和受到预算问题的困扰。在它发射之后,立即发现主镜有球面像差,严重的降低了望远镜的观测能力。幸好在1993年的维修任务之后,望远镜恢复了计划中的品质,并且成为天文学研究和推展公共关系最重要的工具。哈勃空间望远镜和康普顿γ射线天文台、钱德拉X光天文台、斯皮策空间望远镜都是美国国家航空航天局大型轨道天文台计划的一部分[1]。哈勃空间望远镜由美国国家航天局和欧洲航天局合作共同管理。

该望远镜重11吨,轨道高度为589公里,绕地球一周约96到97分钟,飞行速度7.5公里/秒,口径2.4米,焦距57.6m。在发射时,哈勃空间望远镜携带的仪器如下:

广域和行星照相机(WF/PC)
戈达德高解析摄谱仪(GHRS)
高速光度计(HSP))
暗天体照相机(FOC)
暗天体摄谱仪(FOS)
WF/PC原先计划是光学观测使用的高分辨率照相机。由NASA的喷射推进实验室制造,附有一套由48片光学滤镜组成,可以筛选特殊的波段进行天体物理学的观察。整套仪器使用8片CCD,做出了两架照相机,每一架使用4片CCD。"广域照相机"(WFC)因为视野较广,在解像力上有所损失,而"行星照相机"(PC)以比WFC长的焦距成像,所以有较高的放大率。

GHRS是被设计在紫外线波段使用的摄谱仪,由哥达德太空中心制造,可以达到90,000的光谱分辨率,同时也为FOC和FOS选择适宜观测的目标。FOC和FOS都是哈勃空间望远镜上分辨率最高的仪器。这三个仪器都舍弃了CCD,使用数位光子计数器做为检测装置。FOC是由欧洲空间局制造,FOS则由马丁·玛丽埃塔公司制造。

最后一件仪器是由威斯康辛麦迪逊大学设计制造的HSP,它用于在可见光和紫外光的波段上观测变星,和其他被筛选出的天体在亮度上的变化。它的光度计每秒钟可以侦测100,000次,精确度至少可以达到2%。

哈勃空间望远镜的导引系统也可以做为科学仪器,它的三个精细导星传感器(FGS)在观测期间主要用于保持望远镜指向的准确性,但也能用于进行非常准确的天体测量,测量的精确度达到0.0003弧秒。

哈勃空间望远镜耗资超过25亿美元,而且后期费用还可能达到60亿美元。

世界上最大的望远镜
名称                    口径    安放地点
巨型望远镜           4*8.2米    智利
大型双筒望远镜       2*8.4米    美国
霍比-埃伯利              1米    美国
凯克一                  10米    夏威夷
凯克二                  10米    夏威夷
苏巴茹望远镜           8.3米    夏威夷
大型双子座望远镜(北) 8.1米    夏威夷
大型双子座望远镜(南) 8.1米    智利
多镜面望远镜           6.5米    美国
地平式望远镜           6.0米    俄国
海耳                   5.0米    美国
威廉-赫歇耳            4.2米    加那利群岛
切罗-托洛洛            4.0米    智利
英澳                   3.9米    澳大利亚
梅奥尔                 3.8米    美国

宇宙之大望远镜

宇宙之大望远镜

宇宙之大望远镜
位于智利的世界上最大的望远镜VLT。它包括四个口径为8.2米的巨型望远镜,每一个都比人眼敏感10亿倍。四台望远镜由计算机连接,能采集相当口径16.4米所收集的光。最高分辨率足以观察宇航员在月球上行走的情景。

宇宙之大望远镜
反射式望远镜的光路示意
宇宙之大望远镜
这是世界最大的射电望远镜,它利用波多黎各一条自然山间凹地建造。直径305米。

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