星系和宇宙望遠鏡的故事

□ 方慧 聞新

星系和宇宙望遠鏡的故事

□ 方慧 聞新

世界上第一臺望遠鏡究竟是誰發(fā)明的？

第一個用望遠鏡觀測太空的伽利略

關于世界上第一臺天文望遠鏡是誰發(fā)明的問題，科技史所描述的是意大利的科學家伽利略。但伽利略卻否認這一點，他說是荷蘭人首先發(fā)明的，這是怎么回事呢？

1608年，荷蘭有一位眼鏡制造商，名字叫漢斯．利伯斯海，他的兩個孩子很調皮，偶然一個機會，他們從店鋪里拿來兩片透鏡，一前一后列隊排放著，用眼睛張望后，發(fā)現(xiàn)遠處教堂上的物體又大又近。漢斯得知后，非常高興，他隨后用一個簡易的筒，把兩塊透鏡裝好，就制造成了世界上第一臺望遠鏡。

1609年，伽利略自制的透鏡式望遠鏡僅僅能產生一個使物體放大三倍的效果，之后他又改進和提高放大倍數(shù)。他利用改進的望遠鏡，觀察太空后，發(fā)現(xiàn)月球山、太陽黑子和無數(shù)肉眼不可見的星星。所以伽利略不是第一個發(fā)明望遠鏡的人，但卻是世界上第一個用望遠鏡觀測太空的人。

古代人制作的望遠鏡筒為什么那么長？

J·赫維留于1673年制造了一架巨型長度的望遠鏡

在17世紀中期，折射望遠鏡的物鏡由透鏡或透鏡組組成，人們發(fā)現(xiàn)提升望遠鏡放大倍數(shù)的方法之一就是利用一組尺寸和間距更大的組合透鏡理念，這種理念導致當時望遠鏡筒的長度越來越長。1673年，J.赫維留制造了一架巨型長度的望遠鏡，這種望遠鏡的透鏡組被懸掛在長達45米的開放式框架上，整個鏡筒被吊裝在一根31米高的桅桿上。使用時，需要多人用繩子拉著轉動升降。

另外，折射式望遠鏡焦距越大色差越小，所以當時惠更斯干脆將物鏡和目鏡分開，將物鏡吊在百尺高桿上。直到19世紀末，人們發(fā)現(xiàn)由兩塊折射率不同的玻璃分別制成凸透鏡和凹透鏡，再組合起來可以消色，這才結束了望遠鏡變得越來越長的時代。

誰發(fā)明了反射望遠鏡？

牛頓發(fā)明的反射望遠鏡（左圖）和19世紀最大的望遠鏡（右圖）

1668年，牛頓發(fā)明了反射望遠鏡。在這種望遠鏡中，牛頓使用曲面反射鏡將光線聚集并反射到焦點上，曲面反射鏡越大，收集到的光也越多。這種望遠鏡的放大倍率達到了數(shù)百萬倍，超過了折射望遠鏡所能達到的極限。另外，用曲面反射鏡，不僅可以消除色差對影像造成的影響，還使得望遠鏡的結構更加緊湊。

1781年，英國天文學家赫歇爾發(fā)明了用于制作反射望遠鏡鏡面的金屬材料，這使他可以制造出看得更遠的望遠鏡，他因此也獲得了甚至包括天王星在內的一些太空新發(fā)現(xiàn)。

隨著歲月發(fā)展，牛頓曾經(jīng)使用的15.24厘米直徑小銅鏡，逐漸被更大口徑的折射鏡所取代。1845年，威廉·帕森思在愛爾蘭建成了一架口徑為183厘米的反射望遠鏡，并裝有直徑1.8米的鏡片。但是，它需要一面墻體支撐，所以這臺望遠鏡只能在有限的方向范圍內觀察。

胡克望遠鏡及其貢獻

建立在美國加利福尼亞的威爾遜山天文臺的胡克望遠鏡

1917年，胡克望遠鏡在美國加利福尼亞的威爾遜山天文臺建成，其口徑為2.5米，是世界第一臺能同時具備大尺寸與機動性的望遠鏡，而且直到1949年為止，一直是世界上最大的望遠鏡。

胡克既是生物學家，同時又是天文學家。他關心植物結構的同時，試圖測量恒星到我們的距離。胡克望遠鏡是由胡克出資贊助并建造的。埃德溫·哈勃借助胡克望遠鏡，完成了他的關鍵的計算，確定了許多銀河系外的星系、認識到星系的紅移、發(fā)現(xiàn)了宇宙在膨脹的現(xiàn)象。

射電天文學與射電望遠鏡

卡爾·詹斯基建造的無線電天線（左圖）和射電望遠鏡（右圖）

1933年，美國物理學家卡爾·詹斯基當時是一個負責搜索和鑒別電話干擾信號的工程師，他建造了一座大約30米長、6.5米高的無線電天線，用來監(jiān)測短波無線電信號，但卻意外地發(fā)現(xiàn)了與銀河系產生和滅亡信息有關的來自宇宙的射電波，這個發(fā)現(xiàn)也標志著射電天文學的誕生。

30年后，美國貝爾實驗室無線電工程師阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜調查這種太空射電波，竟然發(fā)現(xiàn)它是大爆炸的最后遺留物，并因此而榮獲1978年的諾貝爾物理學獎。

如今科學家們也將這種宇宙射電波稱為“宇宙微波背景輻射”，射電波是長波無線電信號，所以要求接收面積非常大的天線。射電望遠鏡就是用來觀測和研究宇宙射電波的設備，可以測量宇宙射電信號的強度、頻率和偏振等。射電望遠鏡的組成部分包括收集射電波的定向天線，放大射電波的高靈敏度接收機，以及射電信息處理和顯示裝置。

山頂望遠鏡與甚大望遠鏡

山頂望遠鏡（左圖）和4臺甚大望遠鏡（右圖）

天文學家很早就知道，在高海拔處觀測星空有助于削弱大氣湍流對星光的影響。但直到20世紀后半期，遙遠的山頂天文臺才變成現(xiàn)實。凱克望遠鏡是位于在太平洋夏威夷島上的一座天文望遠鏡，坐落在海拔4200多米的人跡罕至的莫納克亞山上。

甚大望遠鏡是歐洲南方天文臺部署在海拔高度為2632米處的大型光學望遠鏡，由4臺相同的8.2米口徑望遠鏡組成，組合的等效口徑可達16米。4臺望遠鏡可以同時觀測多個光源，組成高分辨率光學干涉儀。

世界最大的望遠鏡

極大望遠鏡

2014年歐洲南方天文臺宣布一個被稱為“極大望遠鏡”的天文望遠鏡將在2024年投入運作。這個“極大望遠鏡”的主鏡口徑為42米，其中包含798個分鏡。相比之下，“甚大望遠鏡”主鏡直徑僅僅為8.5米，所以“極大望遠鏡”是世界最大的望遠鏡。本來科學家們想建造直徑為100米的“超大望遠鏡”，但后來證明這個想法耗資太大，所以退而求其次，決定建造“極大望遠鏡”。

“極大望遠鏡”建造在高度為3060米的智利塞魯阿瑪遜斯山頂，占地面積相當于一個體育館大小?！皹O大望遠鏡”對可見光和紅外光線非常敏感，可幫助天文學家探測140億年前最早誕生的宇宙星系的狀況。

下期預告：隨著航天技術的不斷發(fā)展，天文學家在太空部署望遠鏡的夢想成為現(xiàn)實。天基天文望遠鏡可以克服地球大氣效應和地球運動等因素的影響。下期題目為“天基望遠鏡”，主要介紹天基望遠鏡的發(fā)展歷程及所涉及到的文化，包括火箭探測器、哈勃望遠鏡、韋伯望遠鏡，以及韋伯望遠鏡承載的使命等等。