神奇的天文望远镜

☉袁位 主编

1608年，荷兰的一位眼镜匠汉斯·利伯希（HansLippershey）偶然发现利用两块眼镜片在特定的位置下，可以将远处的物体放大拉近，于是制作了世界上第一台望远镜。望远镜能够使观测者轻易地观察远处物体的原因在于两点：一是望远镜利用光路系统将远处物体的视角放大；二是望远镜通过更大的物镜接收来自被观测物体更多的光线，使观测者能够看到更多暗弱的细节。1609年，伽利略采用这种方法制作了世界上第一台天文望远镜。该望远镜的放大倍率为40倍。自伽利略使用望远镜观测宇宙后，天文学得到了跨越式的发展。现如今，各种功能强大的望远镜层出不穷，这些望远镜与伽利略制作出的望远镜有什么不同？又有哪些望远镜被应用到了天文研究与天文观测中了呢？

伽利略望远镜

我们都知道，可见光是电磁波谱上的一个特定波段。根据观测波段的不同，可以将望远镜分为射电望远镜、红外望远镜、可见光望远镜、紫外望远镜、X射线望远镜与γ射线望远镜。按照望远镜光路的设计，可以分为折射望远镜（伽利略式、开普勒式）、反射望远镜（牛顿式、卡塞格林式）与折反射望远镜（施密特-卡塞格林式、马克苏托夫-卡塞格林式）。按照望远镜所在位置，还可以分为地面望远镜与空间望远镜。

一、折射望远镜

折射望远镜是望远镜最早的形式。折射望远镜的物镜端为凸透镜，目镜端为凹透镜（伽利略式）或凸透镜（开普勒式）。相对伽利略式望远镜，开普勒式望远镜的视场更大，光学性能优良，成像效果更好，因此自发明以后成为折射望远镜主要采用的光路系统。开普勒折射望远镜的主要缺点是成像为倒像，因此有些便携式望远镜需要加装正像光路系统。

折射望远镜主要有两个制约其发展的问题：

一是折射光路存在色差问题。不同波长的光（不同颜色）通过同样材质的透镜时折射率是不同的，因此通过折射望远镜后不同颜色光的焦点位置是不同的。这就导致在实际的观测中，星体的像周围会存在一圈彩色的光晕，影响观测质量。尽管后来工程师利用不同材质透镜作为消除色差的消色差镜片，但是仍然无法完全消除折射望远镜的色差问题。

二是折射望远镜的物镜受成本和制造工艺的限制，无法造出大口径望远镜。由于透镜的口径与厚度成比例，大口径的镜片制作成本与难度会急剧增加。而且随着折射望远镜口径的增大，镜筒长度也会大大增加望远镜的支撑强度。目前世界上最大的折射望远镜为1897年在美国叶凯士天文台建的40英寸（1016毫米）折射望远镜，该望远镜至今仍在使用。

二、反射望远镜

卡塞格林式反射光路系统

相较于折射望远镜，反射望远镜主要采用一块抛物面反射镜作为主镜，望远镜的焦点位于主镜前方。1668年，牛顿在多次磨制透镜未果的情况下，决定采用反射镜来替代透镜作为望远镜的主镜，并使用一个平面镜将光线从侧面引出镜筒，发明了牛顿式反射望远镜。卡塞格林则修改了牛顿式反射望远镜的光路，将镜筒中的平面镜改为双曲面镜，并从主镜后方将光路引出镜筒。卡塞格林式反射望远镜提高了主镜的焦长，进而提升了望远镜的放大倍率。

望远镜的放大倍率指望远镜对于物体视张角的放大能力，计算方法为：

相较于折射望远镜，反射望远镜有三个主要的优点，使它成为现代天文学研究最主要使用的大口径望远镜类型：

一是反射望远镜不需要光线透过介质进行折射，因此有效避免了色差问题。反射望远镜的主镜与二次反射镜均没有光线透过，但是使光线反射的镀膜精度较高并且暴露于空气中，所以需要定期维护。或许细心的读者会想到，目镜是一个凸面镜，为什么说反射镜避免了色差呢？现代天文台使用望远镜进行观察时，主要使用电子感光元件（早年为底片）对观测区域进行长时间曝光，获得照片进行科学研究，因此并没有目镜结构。

二是反射望远镜的主镜可以采用拼接的方法建造出更大的口径。现代大口径望远镜主要采用多块反射镜拼接的方法，将多块直径为1米左右的六边形反射镜拼接出直径数米甚至数十米的主镜而不影响观测效果，使用拼接主镜可以大大降低望远镜的造价，使得建造更强大的望远镜成为可能。目前在建的最大口径望远镜为位于智利的E-ELT望远镜，其设计口径达到42米，采用798块小型六边形反射镜构成主镜。

三是反射镜背后可以采用主动调节系统，应对重力对镜面造成的弯沉，提高观测精度。目前世界上口径最大的单片反射望远镜镜面为位于美国亚利桑那州的LBT望远镜，它的主镜面直径为8.4米。其背后有数千个微型液压作动装置，以微米级别的精度调整镜面的形状，使之保持最佳形状。

三、折反射望远镜

折反射望远镜的光路示意图

折反射望远镜是在卡塞格林式反射望远镜的前方加装折射镜（矫正镜）建造的望远镜。施密特-卡塞格林式折反射望远镜（简称施卡）与马克苏托夫-卡塞格林式折反射望远镜（简称马卡）的主要区别在于矫正镜。施卡采用一块非球面透镜作为矫正镜，而马卡采用弯月形改正镜。施卡的视野比较大，集光能力强，成像效果良好；马卡视野相对小，集光能力较弱，弯月改正镜较厚重，但是成本较低，焦距更长。折反射望远镜将镜筒内的光路折叠，因此在同样的焦距条件下，折反射望远镜最轻便。折反射望远镜深得天文爱好者的喜爱。

天文台也会使用大型施密特-卡塞格林式折反射望远镜进行天文研究。例如，目前我国最大口径的光学望远镜——位于国家天文台兴隆观测站的郭守敬望远镜（大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜）。这台望远镜采用反射式施密特光学系统。主镜口径为6.5米，施密特改正镜的口径为4米，最大观测视角为5°。望远镜焦点处采用光导纤维收集来自不同星体的光线，可以最多同时测定4000颗星的光谱。郭守敬望远镜是世界上光谱获取率最高的望远镜。

四、射电望远镜

按照电磁波的波长排列，可以将电磁波绘制成一个连续的波谱。射电望远镜主要对天体发出的无线电波（射电波段）进行观测。由于大气层对无线电波波段的屏蔽效果较弱，射电望远镜的观测基本不受天气影响，加之无线电波对射电望远镜主镜的材质要求较低，因此大口径射电望远镜的设计建造相对于光学望远镜的难度要小。

射电望远镜在观测时，会受到许多不同射电波段信号的干扰，这些干扰会给射电望远镜带来噪声信号——人类活动、太阳活动或来自卫星的通信。因此，提高射电望远镜观测能力的主要方法是提高信号灵敏度，以便在噪声信号中找到需要观测研究的天体射电信号。提高射电望远镜灵敏度的主要方法是提高射电望远镜接收器的口径；使用多个射电望远镜组成射电望远镜阵列可以提高射电望远镜的等效口径，有助于提高射电望远镜的分辨率。

FAST射电望远镜

单个射电望远镜的口径越大，意味着望远镜的接收面积越大，则望远镜的灵敏度越高，可以接收到更加暗弱的射电信号。多个小口径射电望远镜组成的射电望远镜阵列中，最远的两台望远镜距离相当于这个望远镜阵列的“等效口径”。使用望远镜阵列可以提高信号的分辨率，但是由于其接收面积较小，并不能提升望远镜接收更暗弱信号的能力。

我国刚刚落成的球面射电望远镜(FAST)口径为500米，是目前世界上单体口径最大的射电望远镜，也是世界上最灵敏的射电望远镜。FAST位于我国贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县，利用喀斯特地貌所形成的天然洼坑建设而成。

五、空间望远镜

地球的大气层是地球生命的保护伞。有了大气层的保护，地球表面的白天不至于太热，夜晚也不至于太冷（假设没有大气层的保护，如月球，白天在阳光垂直照射的地方温度高达127摄氏度，而夜晚温度则会降至-183摄氏度）。大气层将太阳的紫外线和其他宇宙高能辐射与地面隔绝，给了生命稳定的生存、进化条件。但是对于天文观测而言，大气层则像是给望远镜戴上了一副厚厚的“眼镜”，将许多特定波长的电磁波吸收，严重影响观测效果。

哈勃空间望远镜

为了获得更加良好的观测效果，避免大气层对望远镜观测的影响，科学家与工程师向太空发射了空间望远镜。最具盛名的便是1990年升空、至今仍在服役的哈勃空间望远镜（HubbleSpaceTelescope）。哈勃空间望远镜的主镜口径为2.4米，可以对红外波段、可见光和紫外波段进行观测。哈勃空间望远镜堪称天文学史上最重要的仪器。在轨27年来，它记录了海量的高精度观测数据。这些数据解决了许多悬而未决的天文学问题，使人类对宇宙的认识产生了深远的进步。

詹姆斯·韦伯太空望远镜

哈勃空间望远镜发射升空后，全世界的天文学家都对它的表现充满了期待。然而哈勃空间望远镜传回的笫一批照片却令天文学家们大失所望：所有照片似乎都像是近视眼看到的世界，星点都变成了圆形的光斑。原来是由于哈勃空间望远镜的主镜在磨制时出现了2微米的误差，才导致出现这种问题。1993年，工程师对哈勃空间望远镜进行了第一次空间维护：使用另一块有反向误差的副镜取代光路上原有的完好的镜片，使得哈勃空间望远镜的光路重新回归正常。自此以后，哈勃空间望远镜带领人类开始了宇宙的发现之旅，每一张传回的照片都堪称完美。截至2017年，工程师一共对哈勃空间望远镜进行过6次空间维护。

除哈勃空间望远镜以外，科学家、工程师还向太空发射了许多针对不同波段的太空望远镜或实验平台，如斯皮策太空望远镜、钱德拉X射线太空望远镜、康普顿伽马射线天文台卫星等，这些空间望远镜所观测的波段大多在地面无法实现。还有即将发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜，计划中将取代哈勃空间望远镜成为新一代主力太空望远镜。