□ 方慧 聞新

星系和宇宙望遠(yuǎn)鏡的故事

□ 方慧 聞新

世界上第一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡究竟是誰(shuí)發(fā)明的？

第一個(gè)用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太空的伽利略

關(guān)于世界上第一臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡是誰(shuí)發(fā)明的問(wèn)題，科技史所描述的是意大利的科學(xué)家伽利略。但伽利略卻否認(rèn)這一點(diǎn)，他說(shuō)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(gè)孩子很調(diào)皮，偶然一個(gè)機(jī)會(huì)，他們從店鋪里拿來(lái)兩片透鏡，一前一后列隊(duì)排放著，用眼睛張望后，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)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(gè)簡(jiǎn)易的筒，把兩塊透鏡裝好，就制造成了世界上第一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡。

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

古代人制作的望遠(yuǎn)鏡筒為什么那么長(zhǎng)？

J·赫維留于1673年制造了一架巨型長(zhǎng)度的望遠(yuǎn)鏡

在17世紀(jì)中期，折射望遠(yuǎn)鏡的物鏡由透鏡或透鏡組組成，人們發(fā)現(xiàn)提升望遠(yuǎn)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(dǎo)致當(dāng)時(shí)望遠(yuǎn)鏡筒的長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)。1673年，J.赫維留制造了一架巨型長(zhǎng)度的望遠(yuǎn)鏡，這種望遠(yuǎn)鏡的透鏡組被懸掛在長(zhǎng)達(dá)45米的開(kāi)放式框架上，整個(gè)鏡筒被吊裝在一根31米高的桅桿上。使用時(shí)，需要多人用繩子拉著轉(zhuǎn)動(dòng)升降。

另外，折射式望遠(yuǎn)鏡焦距越大色差越小，所以當(dāng)時(shí)惠更斯干脆將物鏡和目鏡分開(kāi)，將物鏡吊在百尺高桿上。直到19世紀(jì)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(lái)可以消色，這才結(jié)束了望遠(yuǎn)鏡變得越來(lái)越長(zhǎng)的時(shí)代。

誰(shuí)發(fā)明了反射望遠(yuǎn)鏡？

牛頓發(fā)明的反射望遠(yuǎn)鏡（左圖）和19世紀(jì)最大的望遠(yuǎn)鏡（右圖）

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

1781年，英國(guó)天文學(xué)家赫歇爾發(fā)明了用于制作反射望遠(yuǎn)鏡鏡面的金屬材料，這使他可以制造出看得更遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡，他因此也獲得了甚至包括天王星在內(nèi)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(ài)爾蘭建成了一架口徑為183厘米的反射望遠(yuǎn)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(tái)望遠(yuǎn)鏡只能在有限的方向范圍內(nèi)觀察。

胡克望遠(yuǎn)鏡及其貢獻(xiàn)

建立在美國(guó)加利福尼亞的威爾遜山天文臺(tái)的胡克望遠(yuǎn)鏡

1917年，胡克望遠(yuǎn)鏡在美國(guó)加利福尼亞的威爾遜山天文臺(tái)建成，其口徑為2.5米，是世界第一臺(tái)能同時(shí)具備大尺寸與機(jī)動(dòng)性的望遠(yuǎn)鏡，而且直到1949年為止，一直是世界上最大的望遠(yuǎn)鏡。

胡克既是生物學(xué)家，同時(shí)又是天文學(xué)家。他關(guān)心植物結(jié)構(gòu)的同時(shí)，試圖測(cè)量恒星到我們的距離。胡克望遠(yuǎn)鏡是由胡克出資贊助并建造的。埃德溫·哈勃借助胡克望遠(yuǎn)鏡，完成了他的關(guān)鍵的計(jì)算，確定了許多銀河系外的星系、認(rèn)識(shí)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(xué)與射電望遠(yuǎn)鏡

卡爾·詹斯基建造的無(wú)線電天線（左圖）和射電望遠(yuǎn)鏡（右圖）

1933年，美國(guó)物理學(xué)家卡爾·詹斯基當(dāng)時(shí)是一個(gè)負(fù)責(zé)搜索和鑒別電話干擾信號(hào)的工程師，他建造了一座大約30米長(zhǎng)、6.5米高的無(wú)線電天線，用來(lái)監(jiān)測(cè)短波無(wú)線電信號(hào)，但卻意外地發(fā)現(xiàn)了與銀河系產(chǎn)生和滅亡信息有關(guān)的來(lái)自宇宙的射電波，這個(gè)發(fā)現(xiàn)也標(biāo)志著射電天文學(xué)的誕生。

30年后，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室無(wú)線電工程師阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜調(diào)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(xué)獎(jiǎng)。

如今科學(xué)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(zhǎng)波無(wú)線電信號(hào)，所以要求接收面積非常大的天線。射電望遠(yuǎn)鏡就是用來(lái)觀測(cè)和研究宇宙射電波的設(shè)備，可以測(cè)量宇宙射電信號(hào)的強(qiáng)度、頻率和偏振等。射電望遠(yuǎn)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(jī)，以及射電信息處理和顯示裝置。

山頂望遠(yuǎn)鏡與甚大望遠(yuǎn)鏡

山頂望遠(yuǎn)鏡（左圖）和4臺(tái)甚大望遠(yuǎn)鏡（右圖）

天文學(xué)家很早就知道，在高海拔處觀測(cè)星空有助于削弱大氣湍流對(duì)星光的影響。但直到20世紀(jì)后半期，遙遠(yuǎn)的山頂天文臺(tái)才變成現(xiàn)實(shí)。凱克望遠(yuǎn)鏡是位于在太平洋夏威夷島上的一座天文望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡是歐洲南方天文臺(tái)部署在海拔高度為2632米處的大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，由4臺(tái)相同的8.2米口徑望遠(yuǎn)鏡組成，組合的等效口徑可達(dá)16米。4臺(tái)望遠(yuǎn)鏡可以同時(shí)觀測(cè)多個(gè)光源，組成高分辨率光學(xué)干涉儀。

世界最大的望遠(yuǎn)鏡

極大望遠(yuǎn)鏡

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

“極大望遠(yuǎn)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(dāng)于一個(gè)體育館大小?！皹O大望遠(yuǎn)鏡”對(duì)可見(jiàn)光和紅外光線非常敏感，可幫助天文學(xué)家探測(cè)140億年前最早誕生的宇宙星系的狀況。

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