图解天文望远镜发展史（4）

文/ 叶楠

照相术与新世纪的望远镜

历史的车轮不断向前迈进，天文望远镜的制造工艺也在快速发展着。伽利略第一次指向夜空的望远镜口径仅1.5 厘米，牛顿设计的第一台反射望远镜口径也只有3.3 厘米。之后两个多世纪里，在惠更斯、肖特、赫歇尔、克拉克父子等制镜大师们的努力下，望远镜的口径突破了1 米。天文学家们变得越来越忙碌，因为利用这些望远镜人们观测到的天体数量是肉眼可见的亿万倍，有太多天体值得人们去研究。在20 世纪以前，虽然日心说已经深入人心，但是人类对于宇宙的概念还是局限在银河系之内，天上那些深空天体除了星团以外都被认为是银河系内的星云。到了20 世纪初，人类对于太阳系的认识已经拓展到了海王星附近，而海王星之外的世界我们还是一片未知。

照相术的发明

现存最古老的照片是由法国人尼埃普斯于1826 年拍摄的，他将沥青涂在一种熔点非常低的铅锡合金上，经过长达8 个小时的曝光获得了《窗外的风景》这张照片（右图）。尼埃普斯称这种技术为日光蚀刻法，不过这项技术并未完善他就去世了。法国画家达盖尔继续尼埃普斯的研究，发明了银版照相术。法国政府于1839 年买下了他的专利权，宣告照相术的诞生。不过早期的银版照相术需要的曝光时间最短也要十几分钟，很难拍摄肖像和移动的物体。1841年，法国摄影师克劳德发明了利用带有氯化碘的感光底片成功将曝光时间缩短到以秒计量。直至20 世纪初，感光效率更高且体积更小的相机逐渐问世，大大拓宽了相机的应用场景。

洛韦尔天文台

洛韦尔天文台坐落于亚利桑那州旗杆镇，始建于1894 年，是美国历史最古老的天文台。天文台拥有多架望远镜，其中口径60 厘米的折射望远镜至今仍作为公共教育场所开放，这台望远镜是由克拉克父子建造的。此外还有口径4.3 米的发现望远镜、口径1.8 米的珀金斯望远镜、口径1.1 米的霍尔望远镜等等。但是最著名的却是一台口径只有33 厘米的小望远镜，它的名字是洛韦尔摄星镜（左图），1930 年汤博利用这台望远镜拍摄的照片发现了冥王星。

太阳系疆域的拓展

自古以来，人类目视可见的行星只有水、金、火、木、土5 颗，加上同样会在恒星间运行的太阳和月亮，组成了一个星期有7 天的传统，每天代表其中一个天体，例如周日是太阳日、周一是月球日、周六是土星日等等。在望远镜发明以后，赫歇尔在1781年发现了天王星；皮亚齐于1801 年发现了谷神星；勒威耶和加勒于1846 年发现了海王星。发现海王星的望远镜是位于柏林天文台的弗劳恩霍夫望远镜，是一台口径为24 厘米的折射望远镜（右图）。太阳系内发现的天体越来越多，在19 世纪诞生了小行星这个名词。而在进入21 世纪以后，随着冥王星附近更多柯伊伯带天体的发现，矮行星的概念也由此诞生。

宇宙有多大

在古汉语中，“宇”“宙”二字分别指房屋的屋檐和栋梁（左图）。“上下四方曰宇，往古来今曰宙。”这是战国时期就有的记载，宇代表空间，宙代表时间。而在西方，宇宙的英文Universe 起源于拉丁语Universum，意为全部。以毕达哥拉斯为代表的古希腊哲学家认为，宇宙就是一切的物质与空间。现代宇宙的定义是时间、空间及其所包含一切的统一体。20 世纪前夕，人类认识的宇宙主要由哥白尼提出的日心说为主导，开普勒定律和牛顿万有引力定律成为了日心说最强大的理论支持。但是随着更多深空天体的发现，天文学家开始试图测算这些遥远天体的距离。只有知道最遥远天体的距离才能测算宇宙有多大，但是天文上的距离却是相当的难以测量。

天鹅座61

恒星距离我们都非常遥远，要测量一颗恒星的距离不可能利用尺子或者激光反射等地球上的常规手段。天文学家们很早就想出了利用地球公转轨道，当地球分别位于轨道两侧时进行观测，由于观测角度不同，理论上目标天体在夜空中的位置会出现微小的变化，这被称为周年视差法。人类利用这种方法测量出的第一颗遥远恒星是天鹅座61，德国天文学家贝塞尔于1838 年测出天鹅座61 的视差为313.6 毫角秒，约10.4 光年，与现代测量值11.4 光年相差不多。不过对于更遥远天体的距离，周年视差方法也显得力不从心。图为1984 年德国发行的贝塞尔诞辰200 周年纪念邮票。

世纪大辩论

1920 年4 月26 日，在美国首都华盛顿的一次科学年会上，天文学家沙普利和柯蒂斯分别就宇宙尺度问题发表了各自的演讲，后人习惯称之为“大辩论”。实际上这并不能称之为辩论，用沙普利的话说，这是“对同一个题目以不同的观点所作的两个报告”。两个报告各自只有40 分钟的演讲时间，题目则是关于“漩涡星云的距离及银河系的大小”。会后，两人将重新整理的演讲稿以共同作者的名义发表在1921 年的美国研究理事会通报上，名为“宇宙的尺度”。但是，科学真理仅靠“辩论”是不够的，还需要更多的观测实践去证实。

胡克望远镜

威尔逊山天文台位于美国加州帕萨迪纳附近的威尔逊山上，海拔1742 米，是1904 年在美国天文学家海尔的领导下建立的。1917 年，由钢铁大亨约翰·胡克和卡耐基研究所资助的100 英寸（约2.5 米）反射望远镜终于投入使用，并被命名为胡克望远镜。1919 年，美国物理学家迈克尔逊为这架望远镜配备了一台干涉仪，这是光学干涉仪首次在天文学上得到应用。有了干涉仪，这台望远镜可以精确的测量某些恒星的大小和距离。直到1948 年以前，胡克望远镜都是当时世界上最大的天文望远镜。

哈勃的定论

1921 年，瑞典天文学家伦德马克根据M33 中的亮星测出它的距离至少在100 万光年之外。1923 年，哈勃用威尔逊山的胡克望远镜在M31 中发现了一颗造父变星，即使利用沙普利测定的造父变星周光关系也可以得出M31 距离在100万光年之外，大大超过沙普利估计的银河系直径。1924 年12 月，在美国天文学年会上，美国天文学家罗素宣布了哈勃的这一发现。4 年前的“大辩论”终于有了答案，“旋涡星云”变成了“旋涡星系”，银河系也不再是宇宙的全部。哈勃的这一发现为星系天文学及宇宙学的时代拉开了序幕。图为哈勃用胡克望远镜工作时的照片。

海尔望远镜

海尔在威尔逊山天文台建造的1.5 米和2.5 米望远镜都非常成功，对星系天文学和宇宙学的发展做出了巨大的贡献。同时，天文学家们对于更大口径望远镜的渴望是从来不会停止的。1928 年，海尔从洛克菲勒基金会得到了600 万美元资助，开始建造位于圣地亚哥的帕洛玛山天文台，其中最重要的仪器是一架口径5.1 米的反射望远镜。主镜镜片由康宁公司制作，从1936 年开始，在第二次世界大战期间中断，直到1948 年望远镜才最终建造完成。1949 年1 月26 日，这台当时世界上最大的望远镜在哈勃的指导下开始观测，首个目标是NGC 2261。为了纪念海尔做出的贡献，这台望远镜后来被命名为海尔望远镜。图为正在组装中的海尔望远镜主镜。

海尔望远镜的发现

在落成之后的近半个世纪里，海尔望远镜都是世界上性能最优秀的天文望远镜，它为恒星演化、宇宙学和高能天体物理方面做出了许多重大贡献。1963 年，荷兰天文学家施密特利用海尔望远镜拍摄了射电源3C 273 的光谱，这个看似恒星的天体却拥有着高达0.158 的红移，这是人类首次证认类星体的光谱，施密特也因此登上了1966 年3 月11 日《时代》周刊封面（左图）。在哈雷彗星于1986 年回归前，配备了CCD 相机的海尔望远镜于1982 年已经拍摄到了回归前的哈雷彗星。1997 年，两颗海王星的卫星被海尔望远镜发现。2010 年，美国喷气推进实验室的团队利用海尔望远镜对系外行星HR 8799 进行了成像观测。

海尔望远镜的主镜重达14.5 吨，时至今日，它依然是全世界第二大的由单片玻璃作为主镜的望远镜，这是20世纪中叶人类工艺技术水平的一项重大成就。不过它也接近了单镜片能够在不同角度下保证其刚性的最大极限。如果再大一点，镜片在本身的重力作用下带来的形变会对镜面的精度带来极大的影响。若想制造更大的望远镜，这将是未来要面对的首要问题。当然，人类最大的优点就是能够学习进步，从而创造出更新的技术来解决这些问题。