圖解天文望遠鏡發(fā)展史（3）

文/ 葉楠

早期的天文望遠鏡

從伽利略第一次將望遠鏡指向夜空開始，人類對宇宙的認識開始邁入了一個全新的時代。依據(jù)光學原理，口徑越大的望遠鏡能夠匯聚更多的光線，能看到更加遙遠、更加暗弱的天體。人類終于超越了眼睛的限制，從此可以看到更多的星星。同時，口徑越大的望遠鏡擁有更高的角分辨率，能夠讓我們看清天體的細節(jié)，例如月球上的環(huán)形山、土星光環(huán)、木星大紅斑等等。不過，無論是伽利略還是開普勒的望遠鏡都是利用光的折射原理制造的，光在通過透鏡發(fā)生折射的同時還會發(fā)生色散現(xiàn)象，這就造成了不同顏色的光不能匯聚到同一個焦點上，從而產(chǎn)生色差。

色差

利用一枚三棱鏡可以將太陽光分解成赤橙黃綠青藍紫幾種不同的顏色，說明可見光是由不同顏色、不同波長的光構成的。紅色光波長最長，頻率最低，也擁有較小的折射率，它在通過透鏡時會產(chǎn)生較小角度的偏折；而紫色光波長最短，頻率最高，折射率較高，在通過透鏡時產(chǎn)生的偏折角度也較大。所以對于一架折射望遠鏡來說，紅色光的焦點會更遠離物鏡，紫色光的焦點更靠近物鏡。在實踐中表現(xiàn)為在使用折射望遠鏡對焦的過程中能夠看到星點出現(xiàn)紫邊的現(xiàn)象（左圖）。

長焦距折射望遠鏡

對于折射望遠鏡來說，要想在高放大倍率下盡可能減小色差的影響，只有通過延長焦距的方法，于是在17 世紀末出現(xiàn)了一些非常經(jīng)典的長焦距折射望遠鏡。1672 年，意大利天文學家卡西尼制造了一架長達11 米的望遠鏡，并利用它發(fā)現(xiàn)了土星的第五顆衛(wèi)星。波蘭天文學家赫維留斯則制造了一架長達46 米的望遠鏡（左圖），要支撐這么長的鏡筒，整個望遠鏡需要由腳手架和起重機來進行支撐和移動。不過這類長焦距望遠鏡在觀測上的價值似乎并不像他們的外形那樣霸氣，一陣風都可以使它的成像產(chǎn)生抖動和失真，嚴重的時候甚至會在一場大風后徹底坍塌。

無鏡筒望遠鏡

既然風對鏡筒的影響如此之大，而鏡筒的主要作用只是用來遮蔽雜散光，那么只要環(huán)境夠黑暗，是不是可以制造不需要鏡筒的望遠鏡呢？在1675 年以后真的出現(xiàn)了沒有鏡筒的望遠鏡。物鏡安裝在柱子、樹頂或某些建筑的頂部，并通過旋轉和連桿裝置進行方向控制。目鏡安裝在地面的支架上，甚至可以手持目鏡進行觀測。關于這類望遠鏡的發(fā)明者歷史上并沒有明確記載。卡西尼利用坎帕尼制作的焦距分別是30 米和41 米的無鏡筒望遠鏡發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)三和土衛(wèi)四。惠更斯兄弟曾經(jīng)制作了焦距長達64 米的無鏡筒望遠鏡（右圖）。不過使用這種望遠鏡需要觀測者具有極高的技能和耐心。

牛頓反射望遠鏡

牛頓對光學有很深的造詣，他在研究了色散現(xiàn)象以后總結出任何折射望遠鏡都會受到色散的影響。為了避免這一點，牛頓在1668 年發(fā)明了反射望遠鏡。牛頓望遠鏡的主鏡使用球面鏡，副鏡使用平面反射鏡。與折射望遠鏡相比，反射望遠鏡徹底杜絕了色差的影響。由于反射望遠鏡在制造工藝上只需要磨制一側鏡面，因此口徑可以做的更大，價格也更為便宜。不過，雖然反射望遠鏡的優(yōu)點足以讓它在未來的日子里占據(jù)天文臺的中心位置，但也并非完全沒有缺點。它的缺點主要包括彗差，副鏡對光路的遮擋，目鏡在主鏡前端帶來的某些角度觀測困難，以及光路校準問題等。

卡塞格林式反射望遠鏡

1672 年，法國一位天主教神父卡塞格林發(fā)明了一種通過凸面副鏡將光線反射到主鏡中心的孔中抵達目鏡的反射式望遠鏡。這種望遠鏡的觀測方式又回到了從望遠鏡底部面向目標方向進行觀測，比起牛頓式反射望遠鏡垂直于觀測方向的目鏡位置，卡塞格林式望遠鏡顯得更易于讓人接受和習慣，也避免了大型牛頓式望遠鏡在觀測天頂附近天體時，甚至需要動用兩層樓高的移動式樓梯才能夠達到目鏡所在的高度。那樣觀測顯然是不夠安全的，因為隨著地球的自轉，目標天體位置的移動會使得目鏡位置越來越遠離觀測者所站的樓梯。圖為上海自然博物館中展出的卡塞格林式反射望遠鏡模型。

非球面反射鏡

在此之后的半個世紀里，反射望遠鏡的設計和制造工藝都沒有進一步的提升，直到八分儀的發(fā)明者約翰·哈德利發(fā)明了拋物面反射鏡的制造方法。1721 年，哈德利向英國皇家天文學會展示了第一個拋物面式牛頓反射望遠鏡。這是一臺有著15 厘米口徑、159 厘米焦距、由金屬反射面磨制而成的望遠鏡，其觀測效果要遠遠好于當年惠更斯使用的無鏡筒望遠鏡。圖為哈德利制作的格里高里式望遠鏡。

赫歇爾的望遠鏡

1774 年開始，英國一名為威廉·赫歇爾的音樂教師開始利用業(yè)余時間磨制反射望遠鏡，并從此一發(fā)不可收拾，后半生全身心投入到望遠鏡的制作和天文觀測研究之中。他一生之中共制造了400 多臺反射望遠鏡。1778 年，他制造了一臺口徑16 厘米、焦距2.1 米的望遠鏡，利用這臺望遠鏡他發(fā)現(xiàn)了許多雙星和深空天體。1783 年，赫歇爾完成了一臺口徑46 厘米、焦距6.1 米的反射望遠鏡的制造工作，這臺望遠鏡在赫歇爾手中服役了大約20 年時間。1789 年，他建造了人生中最大的一臺望遠鏡，口徑120 厘米、焦距12 米（右圖），利用這臺望遠鏡赫歇爾發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)一和土衛(wèi)二，此后50 多年，這一直是世界上最大的望遠鏡。

赫歇爾的巡天工作

從1782 年到1802 年，赫歇爾用30 厘米和47 厘米口徑反射望遠鏡，以及他最喜歡的16 厘米口徑望遠鏡進行了系統(tǒng)的巡天觀測，尋找那些并不像恒星的深空天體。其間赫歇爾一共發(fā)現(xiàn)了2400 多個深空天體，他將這些發(fā)現(xiàn)以3 個星表的方式進行了發(fā)表，分別是1786年發(fā)表的《一千個新星云和星團星表》，1789 年發(fā)表的《第二個一千個新星云和星團星表》以及1802年發(fā)表的《五百個新星云和星團星表》。此后，這份星表得到了他的兒子約翰·赫歇爾的補充，并于1864 年出版了《星云和星團總表》。在約翰·德雷爾的進一步補充后，1888年出版了包括7840 個天體的《星云和星團新總表》，也就是著名的NGC 星表。圖為NGC 星表中部分天體照片。

帕森斯的利維坦

第三代羅斯伯爵威廉·帕森斯是一位愛爾蘭天文學家，他對星云有著很深的研究，他用一臺90 厘米口徑望遠鏡發(fā)現(xiàn)了M1 蟹狀星云，這是1054 年超新星爆發(fā)后留下的遺跡，蟹狀星云這個名字也是來自于帕森斯對它的描述。在1840 年代，帕森斯建造了一架口徑180 厘米的望遠鏡，被稱為帕森斯郡的利維坦，這架望遠鏡成為了當時世界上最大的天文望遠鏡，并將這項記錄保持了半個多世紀，時至今日，這臺巨大的望遠鏡依舊矗立在帕森斯郡。

最大的折射望遠鏡

位于美國威斯康辛州的葉凱士天文臺有著世界上最大的折射望遠鏡，口徑1 米、焦距19.3 米，由克拉克父子制作?？死烁缸邮枪鈱W制造商，以建造世界上最大的折射望遠鏡聞名，曾經(jīng)5 次打破了世界上最大折射望遠鏡的記錄。位于葉凱士天文臺的1 米口徑望遠鏡是父子兩人于1897 年制作的，主鏡采用了雙透鏡來減少色差，重達225千克，這也是老克拉克在去世前磨制的最后一個主鏡。在20 世紀60年代，這臺望遠鏡還進行了電子設備改造，各種電力設備取代了老式的手動裝置。此后一個多世紀世界上雖然不斷有更大的望遠鏡出現(xiàn)，但都是反射望遠鏡。這臺口徑1 米的折射望遠鏡從它誕生之初直到現(xiàn)在依舊是世界上最大的折射望遠鏡。

從17 世紀初到19 世紀末，人類利用天文望遠鏡獲取的信息比之前幾千年都要更多。隨著技術水平的提升，天文望遠鏡尤其是反射望遠鏡的口徑越做越大，人類發(fā)現(xiàn)了越來越多曾經(jīng)無法看到的天體。人類對宇宙的認識也從太陽系向外不斷延伸，直到發(fā)現(xiàn)星表中的某些星云其實遠在我們所處的星系之外。不過這期間依舊是以目視觀測為主，天文學家需要每天辛苦的熬夜觀測。隨著19 世紀末照相術的發(fā)明，讓天文觀測的效率得到了極大的提升。所有這些即將引發(fā)20 世紀初天文學以及物理學上的新發(fā)現(xiàn)。