热带咖啡 / / 望远镜进化论

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望远镜进化论

2020-05-06  热带咖啡

设想中的E-ELT导星装置。 / ESO

人类文明伊始,就从未停止过仰望星空。但一直到望远镜发明,人们对宇宙的认识才真正开始逐渐明晰。望远镜发明到今天的四百多年间,革新了我们认识宇宙的方式,望远镜也经历了多次技术飞跃,正是这些飞跃得到的前所未有的高精度大样本观测数据,使得我们认识宇宙的深度和层级不断提高。

/ 天文望远镜的第一次飞跃——从无到有

马克思说,人与动物的根本区别是人能制造和使用工具。从诞生之日起,人类对于宇宙的认识一直依赖肉眼。众所周知,瞳孔的大小在2-8毫米之间调节,因此可以汇聚的光子数非常有限,肉眼能看到的天体最暗通常也就在六等星左右,极限分辨率是0.5角分,相当于月亮直径的1/60,所以分辨出两个天体的能力也有限。

早期望远镜及其支撑架的各种设计。

直到1609年,意大利天文学家伽利略把一台小型折射式天文望远镜指向天空。虽然这台望远镜口径只有4.2厘米,长约1.2米,但其收集光子的能力和分辨率大大超过人眼。这无疑是一个里程碑的事件,不仅对于天文学,更是关于整个人类,人类文明就此发生了巨大的质的飞跃。在此之后,人类迎来了宇宙探测的热潮,许多宇宙认识就此革新。

世界第一台天文望远镜——伽利略望远镜的口径为3.7厘米。

“伽利略只是拿起了一只小望远镜,然而对人类来说,却开启了宇宙探索的第一次飞跃。”就像哥伦布发现新大陆,伽利略通过望远镜看到的天空,不仅有月球上的环形山和陨石坑,后来还发现了木星的四颗卫星,他发现金星不再是一个圆点,而是一个会盈亏变化的月牙形状,这些发现当时轰动了整个世界。

/ 天文望远镜的第二次飞跃——越长越大

人类对宇宙无尽的好奇心促使我们想要观测更加遥远和暗弱的天体,因此,就需要造出更大口径的望远镜。伴随着工业技术的提升,人们展开了制造望远镜的竞赛,从此一发不可收拾。

18 世纪末已经出现了口径超过一米的赫歇尔反射望远镜。

1948年建成的海尔望远镜主镜200英寸采用抗热性能极佳的派热克斯(Pyrex)玻璃,主镜重达14.5吨重。海尔望远镜在很长一段时间内保持着传统望远镜里像质优良而口径最大的记录,直到1993年凯克1号望远镜建成。可以说,海尔望远镜是传统望远镜中最成功的范例。

传统的望远镜口径和厚度比一般要在10:1左右,因此如果要造十米口径的望远镜,其厚度至少要达到1米,才能不受重力弯沉和温度变化的影响,因此传统的大口径望远镜非常重,制造难度也很大。另外厚重的镜面还会导致机械弯沉,影响像质。

新技术望远镜(NTT)运用了主动光学技术,3.56米直径的主镜薄而可弯曲,利用主镜后面的力促动器可使镜面形状发生改变。/ ESO

新的技术应运而生,如镜面拼接技术、薄镜面技术、主动光学技术、自适应光学技术等,利用这些新技术,天文望远镜的口径从伽利略的4厘米口径,增加了一千倍到了近40米,望远镜的聚光能力也提升了一百万倍,大大提升了人类的观测能力,这无疑又是一个巨大的飞跃。

薄镜面技术——双子望远镜(Gemini Telescope) 两台望远镜,主镜均为8.1米,厚度仅为20厘米。/ NOAO

/ 天文望远镜的第三次飞跃——选择上天

地面望远镜在观测过程中,会受到地球大气层的严重影响。比如大气散射和吸收、天光背景,甚至天气的变化。尽管利用自适应光学等新技术,我们可以消除大气湍流对望远镜空间分辨率的影响,但仍有很多其它影响因素是无法消除的。

而大气窗口会造成某些特定波段被大气层吸收和散射,从而使得地面望远镜难以接收这个波段的电磁波,比如像大气中的臭氧层会吸收掉紫外线,类似的还有X射线等波段。因此,随着航天技术的发展,越来越多的空间望远镜被制造、发射和在轨观测运行,并取得了大量前所未有的科学成果。

空间望远镜图鉴 / 《中国国家天文》2020第三期

比如高能波段的X射线望远镜有爱因斯坦X射线空间天文台、ROSAT探测器,钱德拉X射线空间天文台,XMM-牛顿卫星;伽马射线能段的康普顿卫星、雨燕卫星、费米空间天文台等;紫外波段有如GALEX卫星;红外波段有斯皮策空间红外天文台、赫歇尔红外望远镜、WISE望远镜等;甚至在光学波段也有很多,比如大家熟知的哈勃空间望远镜HST,系外行星领域的开普勒望远镜,以及盖亚卫星等。

值得一提的是口径2.4米的哈勃空间望远镜从1990年4月24日发射到现在,即将迎来三十岁生日。经历了从1993年到2005年,奋进号、发现号、哥伦比亚号、亚特兰蒂斯号先后5次的大规模维修,哈勃兢兢业业地完成了超长服役,取得了很多重要的科学成果,即将光荣退役。

左侧:詹姆斯·韦布空间望远镜;右侧:哈勃空间望远镜

哈勃空间望远镜的继任者是韦布空间望远镜(JWST),未来的一代大型红外空间望远镜。韦布空间望远镜的口径达到了6.5米,主镜由18块六边形的金属铍子镜拼接而成,镜面镀金膜,有利于近红外和中红外光子的接收。它将被发射到距离地球150万千米的日地第二拉格朗日点(L2)上,几乎不可能进行维修,因此发射计划也谨慎地一推再推,被网友们笑称为“鸽王望远镜”。目前,韦布空间望远镜的发射日期已经推迟到了2021年初。

星链(Starlink)系统示意图

随着美国SpaceX的全球卫星星链(Starlink)系统的大量发射,未来地球中低轨三层轨道将分布12000颗卫星,提供低延迟的全球网络覆盖。由于卫星表面会产生较大的反射光,星链也会对天文观测产生一定的影响。加上世界其他很多公司也有类似的“星链”计划,大大增加了空间天文观测的必要性。

近年来,我们中国的空间天文也得到了长足的进步。2017年发射的“慧眼”硬X射线调制望远镜(Hard X-ray Modulation Telescope, HXMT)是中国第一个空间天文卫星,不但可以进行时变的X射线天文观测,还可以高灵敏度的伽马射线暴全天监测。“爱因斯坦探针(Einstein Probe, EP)”卫星的宽视场聚焦X射线望远镜也正在研制中,主要科学目标是探测引力波源的电磁波对应体和沉寂黑洞的爆发,并开展各类高能暂现天体的系统性巡天。

/ 天文望远镜的第四次飞跃——干涉技术

VLTI干涉示意图。/ ESO

干涉就是对相隔一定距离的两台或者多台望远镜进行信号关联,利用电磁波干涉原理,从而提高望远镜的空间分辨率。

黑洞照片 / EHT

比如我们之前看到的M87中心黑洞 “人类第一张黑洞照片”,就是“事件视界望远镜”(Event Horizon Telescope,EHT)利用全球多台望远镜进行干涉观测。天文学家还计划未来在空间进行干涉,以便获得更长的基线,得到更加清晰的黑洞照片。这无疑将是改变人类历史的、激动人心的全球大事件。

望远镜在被发明之后的四百多年经历了多次的巨大飞跃,也使得人类对宇宙的认识不断达到新的高度。我们应该庆幸自己生在一个充满机遇和挑战的时代,各种新奇大胆的想法都可以付诸实践。

了解更多超越传统的望远镜计划,展望人类文明发展进程,

更多内容请阅读《中国国家天文》2020第3期——

作者简介 /


范舟,国家天文台青年研究员,硕士生导师,中科院青促会优秀会员,曾参与BATC, SCUSS, SAGE, CSST等国际巡天项目。截止目前发表专业期刊论文七十余篇,引用八百余次,授权5项发明专利。

中国国家天文2020年3月号

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