图解天文望远镜发展史（3）

文/ 叶楠

早期的天文望远镜

从伽利略第一次将望远镜指向夜空开始，人类对宇宙的认识开始迈入了一个全新的时代。依据光学原理，口径越大的望远镜能够汇聚更多的光线，能看到更加遥远、更加暗弱的天体。人类终于超越了眼睛的限制，从此可以看到更多的星星。同时，口径越大的望远镜拥有更高的角分辨率，能够让我们看清天体的细节，例如月球上的环形山、土星光环、木星大红斑等等。不过，无论是伽利略还是开普勒的望远镜都是利用光的折射原理制造的，光在通过透镜发生折射的同时还会发生色散现象，这就造成了不同颜色的光不能汇聚到同一个焦点上，从而产生色差。

色差

利用一枚三棱镜可以将太阳光分解成赤橙黄绿青蓝紫几种不同的颜色，说明可见光是由不同颜色、不同波长的光构成的。红色光波长最长，频率最低，也拥有较小的折射率，它在通过透镜时会产生较小角度的偏折；而紫色光波长最短，频率最高，折射率较高，在通过透镜时产生的偏折角度也较大。所以对于一架折射望远镜来说，红色光的焦点会更远离物镜，紫色光的焦点更靠近物镜。在实践中表现为在使用折射望远镜对焦的过程中能够看到星点出现紫边的现象（左图）。

长焦距折射望远镜

对于折射望远镜来说，要想在高放大倍率下尽可能减小色差的影响，只有通过延长焦距的方法，于是在17 世纪末出现了一些非常经典的长焦距折射望远镜。1672 年，意大利天文学家卡西尼制造了一架长达11 米的望远镜，并利用它发现了土星的第五颗卫星。波兰天文学家赫维留斯则制造了一架长达46 米的望远镜（左图），要支撑这么长的镜筒，整个望远镜需要由脚手架和起重机来进行支撑和移动。不过这类长焦距望远镜在观测上的价值似乎并不像他们的外形那样霸气，一阵风都可以使它的成像产生抖动和失真，严重的时候甚至会在一场大风后彻底坍塌。

无镜筒望远镜

既然风对镜筒的影响如此之大，而镜筒的主要作用只是用来遮蔽杂散光，那么只要环境够黑暗，是不是可以制造不需要镜筒的望远镜呢？在1675 年以后真的出现了没有镜筒的望远镜。物镜安装在柱子、树顶或某些建筑的顶部，并通过旋转和连杆装置进行方向控制。目镜安装在地面的支架上，甚至可以手持目镜进行观测。关于这类望远镜的发明者历史上并没有明确记载。卡西尼利用坎帕尼制作的焦距分别是30 米和41 米的无镜筒望远镜发现了土卫三和土卫四。惠更斯兄弟曾经制作了焦距长达64 米的无镜筒望远镜（右图）。不过使用这种望远镜需要观测者具有极高的技能和耐心。

牛顿反射望远镜

牛顿对光学有很深的造诣，他在研究了色散现象以后总结出任何折射望远镜都会受到色散的影响。为了避免这一点，牛顿在1668 年发明了反射望远镜。牛顿望远镜的主镜使用球面镜，副镜使用平面反射镜。与折射望远镜相比，反射望远镜彻底杜绝了色差的影响。由于反射望远镜在制造工艺上只需要磨制一侧镜面，因此口径可以做的更大，价格也更为便宜。不过，虽然反射望远镜的优点足以让它在未来的日子里占据天文台的中心位置，但也并非完全没有缺点。它的缺点主要包括彗差，副镜对光路的遮挡，目镜在主镜前端带来的某些角度观测困难，以及光路校准问题等。

卡塞格林式反射望远镜

1672 年，法国一位天主教神父卡塞格林发明了一种通过凸面副镜将光线反射到主镜中心的孔中抵达目镜的反射式望远镜。这种望远镜的观测方式又回到了从望远镜底部面向目标方向进行观测，比起牛顿式反射望远镜垂直于观测方向的目镜位置，卡塞格林式望远镜显得更易于让人接受和习惯，也避免了大型牛顿式望远镜在观测天顶附近天体时，甚至需要动用两层楼高的移动式楼梯才能够达到目镜所在的高度。那样观测显然是不够安全的，因为随着地球的自转，目标天体位置的移动会使得目镜位置越来越远离观测者所站的楼梯。图为上海自然博物馆中展出的卡塞格林式反射望远镜模型。

非球面反射镜

在此之后的半个世纪里，反射望远镜的设计和制造工艺都没有进一步的提升，直到八分仪的发明者约翰·哈德利发明了抛物面反射镜的制造方法。1721 年，哈德利向英国皇家天文学会展示了第一个抛物面式牛顿反射望远镜。这是一台有着15 厘米口径、159 厘米焦距、由金属反射面磨制而成的望远镜，其观测效果要远远好于当年惠更斯使用的无镜筒望远镜。图为哈德利制作的格里高里式望远镜。

赫歇尔的望远镜

1774 年开始，英国一名为威廉·赫歇尔的音乐教师开始利用业余时间磨制反射望远镜，并从此一发不可收拾，后半生全身心投入到望远镜的制作和天文观测研究之中。他一生之中共制造了400 多台反射望远镜。1778 年，他制造了一台口径16 厘米、焦距2.1 米的望远镜，利用这台望远镜他发现了许多双星和深空天体。1783 年，赫歇尔完成了一台口径46 厘米、焦距6.1 米的反射望远镜的制造工作，这台望远镜在赫歇尔手中服役了大约20 年时间。1789 年，他建造了人生中最大的一台望远镜，口径120 厘米、焦距12 米（右图），利用这台望远镜赫歇尔发现了土卫一和土卫二，此后50 多年，这一直是世界上最大的望远镜。

赫歇尔的巡天工作

从1782 年到1802 年，赫歇尔用30 厘米和47 厘米口径反射望远镜，以及他最喜欢的16 厘米口径望远镜进行了系统的巡天观测，寻找那些并不像恒星的深空天体。其间赫歇尔一共发现了2400 多个深空天体，他将这些发现以3 个星表的方式进行了发表，分别是1786年发表的《一千个新星云和星团星表》，1789 年发表的《第二个一千个新星云和星团星表》以及1802年发表的《五百个新星云和星团星表》。此后，这份星表得到了他的儿子约翰·赫歇尔的补充，并于1864 年出版了《星云和星团总表》。在约翰·德雷尔的进一步补充后，1888年出版了包括7840 个天体的《星云和星团新总表》，也就是著名的NGC 星表。图为NGC 星表中部分天体照片。

帕森斯的利维坦

第三代罗斯伯爵威廉·帕森斯是一位爱尔兰天文学家，他对星云有着很深的研究，他用一台90 厘米口径望远镜发现了M1 蟹状星云，这是1054 年超新星爆发后留下的遗迹，蟹状星云这个名字也是来自于帕森斯对它的描述。在1840 年代，帕森斯建造了一架口径180 厘米的望远镜，被称为帕森斯郡的利维坦，这架望远镜成为了当时世界上最大的天文望远镜，并将这项记录保持了半个多世纪，时至今日，这台巨大的望远镜依旧矗立在帕森斯郡。

最大的折射望远镜

位于美国威斯康辛州的叶凯士天文台有着世界上最大的折射望远镜，口径1 米、焦距19.3 米，由克拉克父子制作。克拉克父子是光学制造商，以建造世界上最大的折射望远镜闻名，曾经5 次打破了世界上最大折射望远镜的记录。位于叶凯士天文台的1 米口径望远镜是父子两人于1897 年制作的，主镜采用了双透镜来减少色差，重达225千克，这也是老克拉克在去世前磨制的最后一个主镜。在20 世纪60年代，这台望远镜还进行了电子设备改造，各种电力设备取代了老式的手动装置。此后一个多世纪世界上虽然不断有更大的望远镜出现，但都是反射望远镜。这台口径1 米的折射望远镜从它诞生之初直到现在依旧是世界上最大的折射望远镜。

从17 世纪初到19 世纪末，人类利用天文望远镜获取的信息比之前几千年都要更多。随着技术水平的提升，天文望远镜尤其是反射望远镜的口径越做越大，人类发现了越来越多曾经无法看到的天体。人类对宇宙的认识也从太阳系向外不断延伸，直到发现星表中的某些星云其实远在我们所处的星系之外。不过这期间依旧是以目视观测为主，天文学家需要每天辛苦的熬夜观测。随着19 世纪末照相术的发明，让天文观测的效率得到了极大的提升。所有这些即将引发20 世纪初天文学以及物理学上的新发现。