陳厚尊

天文望遠(yuǎn)鏡是天文學(xué)家觀測(cè)天體的重要工具，可以毫不夸張地說(shuō)，沒(méi)有望遠(yuǎn)鏡的誕生和發(fā)展，就沒(méi)有現(xiàn)代天文學(xué)。隨著望遠(yuǎn)鏡各方面性能的提高和改進(jìn)，天文學(xué)也正經(jīng)歷著巨大的飛躍，迅速推進(jìn)著人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)?！澳闶俏业难邸保@句膾炙人口的歌詞準(zhǔn)確道出了現(xiàn)代天文望遠(yuǎn)鏡與天文工作者之間的關(guān)系。

從伽利略磨制的第一架33倍率小型折射望遠(yuǎn)鏡，到2016年在中國(guó)貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)落成的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST，現(xiàn)代天文望遠(yuǎn)鏡走過(guò)了一條復(fù)雜的演變之路，不僅外形變得千奇百怪，規(guī)模也越來(lái)越龐大。但總體上看，天文望遠(yuǎn)鏡的演變離不開(kāi)兩大趨勢(shì)：一是有效口徑的不斷增加，二是觀測(cè)波段的大幅拓展。有效口徑方面，17世紀(jì)至18世紀(jì)天文望遠(yuǎn)鏡剛剛問(wèn)世的時(shí)候，其口徑多在幾十毫米至幾十厘米間，同今天的許多業(yè)余設(shè)備相當(dāng)。到19世紀(jì)時(shí)，陸續(xù)出現(xiàn)了一批有效口徑達(dá)到“米”級(jí)別的大型觀天設(shè)備，它們是現(xiàn)代天文望遠(yuǎn)鏡的雛形。此后幾十年，受到大氣波動(dòng)帶來(lái)的觀測(cè)極限的影響，以及磨鏡技術(shù)的限制，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的有效口徑一直沒(méi)有顯著增加。直到20世紀(jì)末，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)（AO，AdaptiveOptics）問(wèn)世以后，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的有效口徑才得以繼續(xù)提升。在波段拓展方面，第二次世界大戰(zhàn)以前，天文學(xué)家只能通過(guò)大氣層的幾個(gè)透明窗口（包括可見(jiàn)光、部分近紅外和射電波段）了解我們的宇宙，而航天技術(shù)的發(fā)展使天文學(xué)家徹底擺脫了大氣層的束縛。遠(yuǎn)紅外天文學(xué)、紫外天文學(xué)、X射線(xiàn)天文學(xué)、伽馬射線(xiàn)天文學(xué)先后蓬勃發(fā)展起來(lái)，它們基本涵蓋了電磁波的各個(gè)頻段。進(jìn)入21世紀(jì)后，由于LIGO、Virgo等引力波干涉項(xiàng)目先后取得巨大成功，引力波天文學(xué)進(jìn)入一個(gè)多信使聯(lián)合觀測(cè)的新紀(jì)元，并正式成為觀測(cè)天文學(xué)的新興分支之一。毫無(wú)疑問(wèn)，它將從另一個(gè)維度極大地拓展我們對(duì)宇宙的認(rèn)知水平。

早期的天文望遠(yuǎn)鏡（1600—1800）

公認(rèn)的天文望遠(yuǎn)鏡的最早發(fā)明者是意大利物理學(xué)家、天文學(xué)家伽利略·伽利雷。受到一位荷蘭眼鏡制造師的啟發(fā)，伽利略于1609年磨制了史上第一架折射式望遠(yuǎn)鏡。實(shí)際上，他曾先后打磨過(guò)兩架望遠(yuǎn)鏡，第一架放大率為8倍至9倍，于1609年8月25日磨制成功；次年年初，伽利略又磨制了另一架33倍的望遠(yuǎn)鏡，用來(lái)觀察日月星辰，有了許多新的發(fā)現(xiàn)，例如月球崎嶇的表面、金星奇特的相位、木星的四顆衛(wèi)星、土星多變的橢圓外形、銀河原來(lái)是許許多多星辰的總匯，等等。1610年3月，伽利略出版了一本專(zhuān)門(mén)描述這些新發(fā)現(xiàn)的專(zhuān)著《星空信使》（Starry Messenger），在歐洲引起巨大的轟動(dòng)，同時(shí)也促進(jìn)了哥白尼日心說(shuō)的廣泛傳播。有些遺憾的是，就在伽利略制成天文望遠(yuǎn)鏡之前5年，蛇夫座中曾爆發(fā)了一顆特別明亮的系內(nèi)Ia型超新星，史稱(chēng)SN1604或開(kāi)普勒超新星（Keplers Supernova）。伽利略曾對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)觀測(cè)，認(rèn)定它沒(méi)有肉眼可見(jiàn)的周日視差（Diurnal Parallax），由此斷定它位于距離我們非常遙遠(yuǎn)的恒星世界，并據(jù)此推翻了亞里士多德“天堂是永恒不變”的論斷。開(kāi)普勒超新星是迄今最后一顆肉眼可見(jiàn)的系內(nèi)超新星，而天文學(xué)家就這樣遺憾地與它失之交臂。因此，直到400多年后的今天，人類(lèi)也沒(méi)有機(jī)會(huì)通過(guò)望遠(yuǎn)鏡近距離研究任何一顆系內(nèi)超新星。

1668年，艾薩克·牛頓爵士根據(jù)光的色散理論發(fā)現(xiàn)，任何折射式望遠(yuǎn)鏡都會(huì)受到色散影響而產(chǎn)生色差，因此發(fā)明了第一架反射式望遠(yuǎn)鏡（Reflector）來(lái)回避這個(gè)問(wèn)題。牛頓親自打磨了一片球面反射鏡片，并使用如今稱(chēng)為“牛頓環(huán)”的方法檢驗(yàn)鏡片的光學(xué)品質(zhì)，終于制作出了性能優(yōu)于伽利略折射鏡的望遠(yuǎn)鏡。這主要?dú)w功于反射鏡的大口徑鏡片。1671年，應(yīng)英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的要求，牛頓公開(kāi)展示了自己的新式望遠(yuǎn)鏡?；始覍W(xué)會(huì)的興趣激勵(lì)牛頓發(fā)表了他的光學(xué)研究筆記，這些內(nèi)容后來(lái)都被擴(kuò)編入《光學(xué)》（Opticks）一書(shū)中。

同伽利略或開(kāi)普勒式折射望遠(yuǎn)鏡相比，牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡主要有三大優(yōu)勢(shì)：第一，主鏡和副鏡只用來(lái)反射光線(xiàn)，不會(huì)引入色差（但目鏡依然會(huì)不可避免地引入少許色差）；第二，在口徑相當(dāng)?shù)那闆r下，反射鏡的鏡筒短，重量輕，更加便攜；第三，主鏡和副鏡不需要特制的光學(xué)玻璃，造價(jià)低廉。當(dāng)然，牛頓式反射鏡的缺點(diǎn)也很突出：首先，鏡筒開(kāi)放，易受到觀測(cè)環(huán)境的影響，使用前需要充分冷卻；其次，副鏡僅靠四根桁架結(jié)構(gòu)懸空支撐，在搬運(yùn)過(guò)程中易造成光軸偏離；再次，牛頓式反射鏡的光路在鏡筒內(nèi)有重疊，這會(huì)降低成像反差。理論上講，牛頓式反射鏡的主鏡以?huà)佄锩嫘螤顬樽罴?，這可以在光軸附近獲得完美成像。副鏡只需一面普通的橢圓形平面鏡即可。但在牛頓的時(shí)代，將大型鏡片磨制成非球面的形狀是很困難的，因此只能以球面近似地替代拋物面。這樣做雖然可以消除色差，卻留有比較大的球差。不過(guò)，對(duì)今天的磨鏡技術(shù)而言，拋物面鏡的磨制已變得很容易，目前市面上出售的絕大多數(shù)品質(zhì)合格的牛頓式反射鏡都是拋物面形的主鏡。在遠(yuǎn)離光軸的地方，拋物面會(huì)帶來(lái)比較大的彗形像差，簡(jiǎn)稱(chēng)彗差（Coma）。若要消除彗差，一般的做法是在目鏡端接一組彗差改正鏡（Coma Corrector），即可得到比較理想的成像效果。

繼牛頓式反射鏡之后，1672年，一位對(duì)光學(xué)和聲學(xué)頗有興趣的法國(guó)天主教神父洛朗·卡塞格林設(shè)計(jì)了另一種反射鏡：卡塞格林式反射鏡。它同樣由主鏡和副鏡組成，不同的是副鏡會(huì)將光路重新反射回鏡筒底部，避免了光路交錯(cuò)帶來(lái)的衍射效應(yīng)，同時(shí)折疊的光學(xué)設(shè)計(jì)使鏡筒長(zhǎng)度緊縮。

根據(jù)主鏡和副鏡形狀的不同，以及是否加入改正鏡，后來(lái)的卡塞格林式反射鏡有諸多變種。經(jīng)典卡式鏡的主鏡是拋物面，副鏡是雙曲面，這樣的設(shè)計(jì)與牛頓式反射鏡一樣只能消除球差。如果將主鏡也改為雙曲面，則可以矯正球差和彗差，視場(chǎng)也可適當(dāng)擴(kuò)大。后一種設(shè)計(jì)被稱(chēng)為里奇·克萊琴望遠(yuǎn)鏡（Ritchey Chrétientelescope），簡(jiǎn)稱(chēng)RC系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)的最著名的例子就是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。

表征天文望遠(yuǎn)鏡性能的參數(shù)有許多，最基本的一項(xiàng)是口徑（Aperture），它決定了一架望遠(yuǎn)鏡的集光能力。在黑暗無(wú)月的星空下，人的瞳孔完全張開(kāi)時(shí)的尺寸可以視為肉眼的口徑。這個(gè)數(shù)字因人而異，因年齡而異。平均而言，年輕人的瞳孔更具彈性，黑暗中可達(dá)7毫米至8毫米，老年人的瞳孔稍顯僵硬，普遍在6毫米以下。將望遠(yuǎn)鏡的口徑換算成毫米，除以瞳孔的最大口徑，所得數(shù)值再平方，即為此望遠(yuǎn)鏡的集光能力。因此，為了追求集光力更強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡，早期天文學(xué)家手中的設(shè)備越造越大。例如，17世紀(jì)伽利略和牛頓磨制的望遠(yuǎn)鏡的口徑只有50毫米左右，18世紀(jì)中期查爾斯·梅西耶搜尋彗星所用的設(shè)備也只是一架100毫米的折射鏡。到18世紀(jì)末，英國(guó)天文學(xué)家威廉·赫歇爾發(fā)現(xiàn)天王星時(shí)所用的設(shè)備已經(jīng)是一架160毫米的反射鏡。1787年，赫歇爾制成了當(dāng)時(shí)世界上最大的反射鏡——四十英尺大望遠(yuǎn)鏡（the Great Forty-Foot telescope），口徑達(dá)到了驚人的1200毫米，主鏡焦距12米，有三層樓那么高，而且制造過(guò)程非常復(fù)雜，期間曾多次出現(xiàn)事故。望遠(yuǎn)鏡尚未完成之時(shí)，赫歇爾就迫不及待地用它觀測(cè)了獵戶(hù)座大星云M42，目視效果給他留下了很深的印象。望遠(yuǎn)鏡開(kāi)光當(dāng)夜，赫歇爾就用它發(fā)現(xiàn)了土星的一顆新衛(wèi)星——土衛(wèi)二，一個(gè)月后又發(fā)現(xiàn)了土星的另一顆衛(wèi)星土衛(wèi)一。這架望遠(yuǎn)鏡的偉岸身姿給世人留下了深刻的印象，后來(lái)它還成為英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)的會(huì)徽?？墒牵@架望遠(yuǎn)鏡使用起來(lái)相當(dāng)不便，需要觀測(cè)者站在一個(gè)高臺(tái)之上，指揮一組工人進(jìn)行復(fù)雜的操作，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)將鏡筒對(duì)準(zhǔn)想要觀測(cè)的天區(qū)，因此幾乎不可能對(duì)天體做追蹤觀測(cè)，而是要提前將鏡筒固定在某個(gè)角度上，被動(dòng)地等待目標(biāo)滑入視野范圍，然后爭(zhēng)分奪秒地做目視觀察。四十英尺大望遠(yuǎn)鏡在建成后的50年內(nèi)都是世界之最，直到1839年，這架老舊的望遠(yuǎn)鏡被赫歇爾的兒子約翰·赫歇爾下令拆除。當(dāng)時(shí)，約翰還指揮全家演唱了他專(zhuān)門(mén)為此創(chuàng)作的挽歌。

在望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展史上，色差的消除一直是項(xiàng)難題。對(duì)此，天文學(xué)家主要有兩種思路：一種思路是希望用反射鏡來(lái)回避色差的問(wèn)題，比如以牛頓和卡塞格林為代表的“反射派”；另一種思路是希望用超長(zhǎng)的鏡筒來(lái)減輕色差干擾，比如以惠更斯和赫維留為代表的“長(zhǎng)焦距派”。這就要從色差產(chǎn)生的原理講起了。望遠(yuǎn)鏡的色差是光線(xiàn)在鏡片邊緣產(chǎn)生折射所致，鏡片越厚，曲率越小，色差也就越明顯。于是，最簡(jiǎn)單粗暴的解決辦法就是找一塊盡量平的鏡片，也就是主鏡的焦距要很長(zhǎng)很長(zhǎng)。到最后，甚至出現(xiàn)了焦距長(zhǎng)達(dá)4 5米的巨型開(kāi)普勒式折射鏡，需要用一座塔來(lái)做支撐。光學(xué)大師惠更斯更是干脆拋棄了折射鏡的鏡筒，設(shè)計(jì)出“天空望遠(yuǎn)鏡”，直接把巨大的物鏡吊在高塔上，觀測(cè)者站在幾個(gè)街區(qū)外手持目鏡對(duì)著物鏡進(jìn)行觀測(cè)。

這些龐大而怪異的長(zhǎng)焦距設(shè)計(jì)將天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展帶入一條死胡同。1733年，英國(guó)人切斯特·霍爾在理論上探討了消色差鏡片的可行性，認(rèn)為這樣的修正不可能達(dá)成。目前，最簡(jiǎn)單的消色差透鏡由一片正曲率的冕牌玻璃（Crown）和一片負(fù)曲率的燧石玻璃（Flint）膠合而成，可以將紅、藍(lán)兩種光線(xiàn)的焦點(diǎn)重合于光軸上，相當(dāng)于消除了紅藍(lán)色差，卻仍然對(duì)綠光留有色差。能同時(shí)對(duì)三種及三種以上的光線(xiàn)消除色差的透鏡稱(chēng)為復(fù)消色差透鏡（Apochromatic Lens），或簡(jiǎn)稱(chēng)APO 鏡。除此以外，人們發(fā)現(xiàn)在光路中加入螢石（又稱(chēng)氟石，主要成分是二氟化鈣）等低色散鏡片也能大幅削弱色散的影響。目前，人工螢石已廣泛用于相機(jī)鏡頭中，以達(dá)到消色差的目的。

“二戰(zhàn)”前的天文望遠(yuǎn)鏡（1800—1940）

時(shí)間進(jìn)入19世紀(jì)，愛(ài)爾蘭海東側(cè)。這邊，約翰·赫歇爾剛剛含淚拆除父親留下的四十英尺大望遠(yuǎn)鏡，西側(cè)愛(ài)爾蘭島上的伯爾城堡（Birr Castle）內(nèi)馬上又聳立起一架更龐大的反射鏡，口徑達(dá)到了驚人的1.8米。它的建造者是大名鼎鼎的威廉·帕森斯，第三代羅斯伯爵。他給自己莊園內(nèi)的這座“巨無(wú)霸”起了個(gè)有點(diǎn)“中二”的名字：帕森斯鎮(zhèn)上的利維坦（Leviathan of arsonstown）利維坦是《圣經(jīng)》里記載的一只邪惡海怪，有堅(jiān)硬的鱗甲、鋒利的牙齒，口鼻噴火，腹生尖刺，令人生畏。利維坦望遠(yuǎn)鏡建成當(dāng)年（1845年），羅斯伯爵就用它目視發(fā)現(xiàn)了位于大熊座M51的旋臂結(jié)構(gòu)。這也是天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)旋渦狀星云，因而得名渦旋星系（Whirlpool Galaxy）。另一個(gè)被羅斯伯爵注意到有旋臂痕跡的著名天體是M101，即風(fēng)車(chē)星系，這是一個(gè)位于大熊座的面積廣大的面向星系（face-ongalaxy）。

如果我們的目光不局限于大口徑反射望遠(yuǎn)鏡的話(huà)，1896年于芝加哥大學(xué)葉凱士天文臺(tái)（Yerkes Observatory）建成的102厘米折射望遠(yuǎn)鏡，是迄今天文學(xué)家使用過(guò)的口徑最大的折射望遠(yuǎn)鏡。比它口徑更大的另一架單體折射望遠(yuǎn)鏡曾在1900年的巴黎望遠(yuǎn)鏡博覽會(huì)上展出過(guò)，但沒(méi)什么實(shí)用價(jià)值。這是因?yàn)榭趶酱笥?02厘米的消色差鏡片會(huì)在自身重力作用下引起鏡筒的形變，扭曲望遠(yuǎn)鏡的光軸；而且鏡筒的朝向不同時(shí)，形變的情況也不一樣，所以很難對(duì)扭曲的光路做出補(bǔ)償。這就迫使20世紀(jì)的天文學(xué)家放棄建造口徑更大的單體折射望遠(yuǎn)鏡，轉(zhuǎn)而從其他途徑提升望遠(yuǎn)鏡的有效口徑。

整個(gè)19世紀(jì)后半葉，羅斯伯爵的利維坦望遠(yuǎn)鏡都是世界上口徑最大的觀天設(shè)備，直到1917年， 美國(guó)加利福尼亞州威爾遜山上的胡克望遠(yuǎn)鏡（Hooker Telescope）才打破了它的紀(jì)錄。后者的口徑為2.54米。胡克望遠(yuǎn)鏡是一架具有傳奇色彩的望遠(yuǎn)鏡，20世紀(jì)的許多偉大的天文發(fā)現(xiàn)都與它有關(guān)。這里僅舉四例。1923年，埃德溫·哈勃使用它證認(rèn)出仙女座大星云M3 1中的幾顆造父變星，測(cè)定了它們的光變周期，并據(jù)此算出M31到地球的距離為150萬(wàn)光年，遠(yuǎn)超銀河系的尺度，從而證實(shí)M31是一個(gè)河外星系。1929年，哈勃和米爾頓·赫馬森用胡克望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了支持宇宙膨脹的哈勃定律，為現(xiàn)代宇宙學(xué)的奠基立下汗馬功勞。1933年，瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基使用胡克望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)后發(fā)座星系團(tuán)（Coma Galaxy Cluster）的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)它的動(dòng)力學(xué)質(zhì)量是其發(fā)光物質(zhì)總量的400倍！他因此得出結(jié)論：構(gòu)成后發(fā)座星系團(tuán)的絕大部分物質(zhì)其實(shí)是不發(fā)光的暗物質(zhì)（Dark Matter）。后來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)茲威基當(dāng)年對(duì)后發(fā)座星系團(tuán)暗物質(zhì)總量的估計(jì)有誤，原因是茲威基使用了過(guò)時(shí)的哈勃常數(shù)，導(dǎo)致他得到了偏小的星系距離，進(jìn)而低估了成員星系的本征亮度。即便如此，后發(fā)座星系團(tuán)的動(dòng)力學(xué)質(zhì)量依舊是其可見(jiàn)物質(zhì)質(zhì)量的10倍。今天，多數(shù)天文學(xué)家都將當(dāng)年茲威基的發(fā)現(xiàn)視為暗物質(zhì)研究的開(kāi)端。20世紀(jì)40年代，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，德國(guó)天文學(xué)家沃爾特·巴德以?xún)S民身份留守威爾遜山天文臺(tái)，這令他可以自由地使用胡克望遠(yuǎn)鏡。由于戰(zhàn)時(shí)原因，附近的大城市洛杉磯實(shí)行燈火管制，幾乎沒(méi)有光污染，這為巴德的觀測(cè)提供了良好的條件。在此期間，巴德首次提出了星族（Population）的概念，并用它區(qū)分了原先天文學(xué)界沒(méi)有區(qū)分開(kāi)的兩類(lèi)造父變星：經(jīng)典造父變星和室女座W型變星。這一發(fā)現(xiàn)使得當(dāng)時(shí)所有以造父變星為基礎(chǔ)測(cè)定的天體距離都擴(kuò)大了1倍。

毫無(wú)疑問(wèn)，胡克望遠(yuǎn)鏡的許多觀測(cè)成果都徹底改變了人類(lèi)的宇宙觀念，它將最大望遠(yuǎn)鏡的紀(jì)錄一直保持到1948年“二戰(zhàn)”結(jié)束以前。1986年胡克望遠(yuǎn)鏡被停用，6年后，胡克望遠(yuǎn)鏡在安裝了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)后又開(kāi)始運(yùn)行。此后數(shù)年，胡克望遠(yuǎn)鏡又成為世界上分辨率最高的望遠(yuǎn)鏡，直到被凱克望遠(yuǎn)鏡（KeckI&KeckII）超越。

1948年，“二戰(zhàn)”結(jié)束前夕，美國(guó)加利福尼亞州帕洛瑪山（Palomar）上新建成了一架口徑達(dá)5米的反射鏡，正式取代胡克望遠(yuǎn)鏡成為世界上最大的天文望遠(yuǎn)鏡。此即著名的海爾望遠(yuǎn)鏡（Hale Telescope），以美國(guó)天文學(xué)家喬治·海爾的名字命名。實(shí)際上，前文提及的葉凱士天文臺(tái)的102厘米折射鏡、胡克望遠(yuǎn)鏡、海爾望遠(yuǎn)鏡，都是這位喬治·海爾籌資興建的。另外，他還是《天文物理學(xué)報(bào)》（APJ，Astrophysics Journal）在1895年創(chuàng)刊時(shí)的編輯。海爾不光善于游說(shuō)富商投資大型天文臺(tái)項(xiàng)目，同時(shí)也是一個(gè)能識(shí)人用人的伯樂(lè)。哈勃、沙普利兩位后來(lái)鼎鼎有名的天文學(xué)家都曾受到他的邀請(qǐng)，來(lái)威爾遜山天文臺(tái)主持工作。不得不說(shuō)，近代的胡克望遠(yuǎn)鏡能成為一架具有傳奇色彩的望遠(yuǎn)鏡，離不開(kāi)喬治·海爾的多方奔走和努力。為了紀(jì)念喬治·海爾的卓越貢獻(xiàn)，1969年，帕洛瑪山天文臺(tái)與威爾遜山天文臺(tái)合并，命名為海爾天文臺(tái)。

實(shí)際上在“二戰(zhàn)” 以前，除了不斷磨制口徑更大的望遠(yuǎn)鏡之外，天文學(xué)家還在嘗試新的望遠(yuǎn)鏡光路設(shè)計(jì)，比如卡塞格林式反射鏡的變種R-C系統(tǒng)，就是在20世紀(jì)10年代被設(shè)計(jì)出來(lái)的。此外還有著名的折反式望遠(yuǎn)鏡。顧名思義，折反式望遠(yuǎn)鏡的光路包含了折射和反射兩部分，其主要特點(diǎn)是在一些經(jīng)典的反射鏡光路前面添加了不同形狀的非球面改正鏡，以達(dá)到修正更高階像差的

目的。比如，德國(guó)天文學(xué)家伯恩哈德·施密特于1931年設(shè)計(jì)的施密特—卡塞格林式折反望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱(chēng)施卡），其鏡筒前部就是一片內(nèi)薄外厚的不規(guī)則改正板。1943年，蘇聯(lián)光學(xué)專(zhuān)家馬克斯托夫又在經(jīng)典卡式鏡的基礎(chǔ)上添加了一種較厚的彎月形改正鏡，構(gòu)成馬克斯托夫—卡塞格林式折反望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱(chēng)馬卡）。與之類(lèi)似，若將兩種改正鏡添加在牛頓式反射鏡前面，則分別構(gòu)成施密特—牛頓式折反鏡（簡(jiǎn)稱(chēng)施牛）和馬克斯托夫—牛頓式折反鏡（簡(jiǎn)稱(chēng)馬牛）。目前，美國(guó)的米德公司（Meade）和星特朗公司（Celestron）是世界折反鏡行業(yè)的兩巨頭。

“二戰(zhàn)”后的多波段望遠(yuǎn)鏡（1950—2000）

早在19世紀(jì)60年代，麥克斯韋提出了他的電磁方程組以后，天文學(xué)家就知道，我們?nèi)庋鬯芨兄目梢?jiàn)光只是波長(zhǎng)集中在390納米至700納米間的普通電磁波而已，只占全部電磁頻譜中很窄的一部分?？梢?jiàn)光以外的宇宙是什么樣的？是不是也如絢爛的星空那般迷人？這一直是天文學(xué)家所好奇的。可是，我們頭頂?shù)拇髿鈱硬⒉皇菍?duì)所有波段的電磁波都透明，例如對(duì)紫外波段，大氣層就是密不透光的，有點(diǎn)像金星的大氣層。讀者可以仔細(xì)地看一下地球大氣對(duì)不同波長(zhǎng)電磁波的不透明度變化曲線(xiàn)，其中，數(shù)值為0的地方就是所謂的大氣透明窗口（Atmospheric Window）。奇怪的是，透明度曲線(xiàn)在可見(jiàn)光頻段附近變化很劇烈，像是被人硬生生鑿出一個(gè)缺口似的。這當(dāng)然不是上帝的杰作，而是億萬(wàn)年來(lái)生態(tài)圈與地球環(huán)境相互作用、相互博弈的產(chǎn)物。我們太陽(yáng)的光譜型是G2V，相應(yīng)的能量密度峰值落在500納米的黃光上，而整個(gè)地球生態(tài)圈的運(yùn)轉(zhuǎn)需要以植物的光合作用為基礎(chǔ)，因此，生態(tài)圈通過(guò)改變地球大氣的成分，為自己“調(diào)制”出一個(gè)以500納米為中心、能量利用效率最高的窗口，同時(shí)用臭氧層遮蔽了對(duì)DNA有害的紫外光。由此看來(lái)，人類(lèi)的祖先在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中將黃光附近的波段選為可見(jiàn)光就是必然的了。不過(guò)，也正是這樣一個(gè)合情合理的進(jìn)化結(jié)果，將天文學(xué)家的目光束縛在可見(jiàn)光的牢籠里幾千年。直到70年前，依托航天技術(shù)的發(fā)展，多波段天文學(xué)方才迎來(lái)自己的春天。

最早發(fā)現(xiàn)不可見(jiàn)輻射的科學(xué)家正是威廉·赫歇爾，他于1800年發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)的紅外輻射。他當(dāng)時(shí)用溫度計(jì)測(cè)量太陽(yáng)光譜的各個(gè)部分，發(fā)現(xiàn)將溫度計(jì)放在光譜的紅端以外測(cè)溫時(shí)，溫度上升得最高，但那兒卻完全沒(méi)有顏色。于是他得出結(jié)論：太陽(yáng)光中含有處于紅光以外的不可見(jiàn)光線(xiàn)，即紅外輻射。相較之下，人類(lèi)接收到來(lái)自宇宙天體的射電信息就要推遲到1932年。那一年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的無(wú)線(xiàn)電工程師卡爾·央斯基用無(wú)線(xiàn)電陣列接收到了來(lái)自銀河系中心的射電信號(hào)。這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著射電天文學(xué)的誕生。奇怪的是，央斯基沒(méi)有在射電波段發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)的蹤跡，這說(shuō)明在射電天空中，太陽(yáng)不像在光學(xué)天空中那樣占有突出的位置（因此，與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡不同的是，F(xiàn)AST可以日夜無(wú)休地工作）。但是，一個(gè)被稱(chēng)為仙后座A（Cassiopeia A）的超新星遺跡在低頻射電端是一個(gè)異常明亮的源，它在100兆赫處的射電流量甚至堪比黑子峰值年的太陽(yáng)。

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，在美蘇爭(zhēng)霸的大環(huán)境推動(dòng)下，人類(lèi)的航天時(shí)代如暴風(fēng)驟雨般降臨：1957年第一顆人造衛(wèi)星上天，1961年尤里·加加林進(jìn)入太空，1965年第一次太空行走，1969年美國(guó)人搶先登月……彼時(shí)，幾乎沒(méi)人會(huì)懷疑美國(guó)和蘇聯(lián)會(huì)在第二個(gè)千禧年到來(lái)以前在月球上建起移民基地。不過(guò)，對(duì)天文學(xué)家而言，航天時(shí)代帶來(lái)的福利之一就是終于不用再靠天吃飯。天文學(xué)家將不同波段的觀測(cè)設(shè)備一架又一架送上太空，在近乎空白的觀測(cè)領(lǐng)域里開(kāi)疆拓土。理論與觀測(cè)兩駕馬車(chē)并駕齊驅(qū)，動(dòng)力十足。實(shí)際上，不僅X射線(xiàn)、伽馬射線(xiàn)這樣的高能天文學(xué)從航天時(shí)代獲得了利好，對(duì)可見(jiàn)光而言，外太空的觀測(cè)條件也堪稱(chēng)天堂。擺脫了大氣抖動(dòng)的干擾，原則上講，太空里的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以無(wú)限接近其理論分辨率。因此，歐洲空間局在1989年發(fā)射的“依巴谷“衛(wèi)星、美國(guó)航空航天局在1990年發(fā)射的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的工作波段都涵蓋了可見(jiàn)光范圍。

從20世紀(jì)90年代起，美國(guó)航空航天局啟動(dòng)了一個(gè)名為大型軌道天文臺(tái)（Great Observatories）的發(fā)射計(jì)劃，將4顆工作在不同波段的大型空間衛(wèi)星送入太空。后來(lái)的事實(shí)證明，它們每一臺(tái)都在各自的領(lǐng)域里做出了重要貢獻(xiàn)。這4顆衛(wèi)星分別是1990年的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST），1991年的康普頓伽馬射線(xiàn)天文臺(tái)（CGRO），1999年的錢(qián)德拉X射線(xiàn)天文臺(tái)（CXO）以及斯皮策紅外空間望遠(yuǎn)鏡（SST）。這其中，除了康普頓伽馬射線(xiàn)天文臺(tái)在2000年由于陀螺儀失效而人工引導(dǎo)墜毀外，其余3顆仍在服役中。另外，在美國(guó)航空航天局主持的大型軌道天文臺(tái)計(jì)劃之外，其他工作在各波段的著名空間望遠(yuǎn)鏡還有：美國(guó)航空航天局發(fā)射的專(zhuān)門(mén)用于捕捉伽馬射線(xiàn)暴的“雨燕”衛(wèi)星，于2004年升空；工作于X射線(xiàn)波段的“愛(ài)因斯坦”衛(wèi)星，于1978年升空；工作在極紫外波段，專(zhuān)注于太陽(yáng)活動(dòng)情況的SOHO衛(wèi)星；歐洲空間局于1995年發(fā)射的紅外線(xiàn)太空天文臺(tái)，等等。

射電波段的望遠(yuǎn)鏡雖然沒(méi)有必要送入太空，但在“二戰(zhàn)”以后，射電天文學(xué)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。要知道，在20世紀(jì)天文學(xué)領(lǐng)域拿到過(guò)的9次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中，射電天文學(xué)占了5次，超過(guò)半數(shù)。它們分別是：1974年脈沖星的發(fā)現(xiàn)，1974年孔徑綜合技術(shù)的發(fā)明，1978年宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，1993年脈沖雙星與引力波輻射，2006年宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性。曾幾何時(shí)，一提起諾貝爾獎(jiǎng)，射電天文學(xué)家都是非常自豪的。事實(shí)上，射電天文學(xué)的強(qiáng)大威力也是在不斷的摸索過(guò)程中被慢慢揭示出來(lái)的。在射電天文學(xué)發(fā)展的初期，同許多新興學(xué)科一樣，極少有人看好它，其原因主要是在觀測(cè)的分辨率方面。即便是幾十米口徑的大型射電望遠(yuǎn)鏡，其分辨率也就跟人眼差不多。后來(lái)，英國(guó)著名天文學(xué)家馬丁·賴(lài)爾利用孔徑綜合技術(shù)一舉解決了這個(gè)難題。他發(fā)現(xiàn)，射電望遠(yuǎn)鏡在工作的時(shí)候不僅能記錄源的流量，還能同時(shí)記錄下電波的相位。于是，他想到了利用相距遙遠(yuǎn)的兩架射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合觀測(cè)的辦法來(lái)提升分辨率。這使得射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率一舉超越了傳統(tǒng)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，理論上甚至可達(dá)后者的1萬(wàn)倍！而在今天，我們已經(jīng)能夠利用甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉測(cè)量技術(shù)（Very Large Baseline Interferometry，簡(jiǎn)稱(chēng)VLBI）在全球各地的射電望遠(yuǎn)鏡陣列來(lái)追蹤距離銀心黑洞僅數(shù)百個(gè)天文單位的恒星的運(yùn)動(dòng)軌跡！

現(xiàn)代及近未來(lái)的天文望遠(yuǎn)鏡（2000—）

綜合考慮到目前正在服役，以及在可期的將來(lái)鐵定上馬的大型望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目，我們不妨在這里將各波段最先進(jìn)的設(shè)備簡(jiǎn)要羅列一下。

首先，在射電波段，中國(guó)的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）和美國(guó)波多黎各的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡（Arecibo）是毫無(wú)疑問(wèn)的“老大哥”。而在分辨率方面，前述的VLBI 是這方面頂級(jí)的聯(lián)合觀測(cè)項(xiàng)目。另外，2009年升空的普朗克衛(wèi)星是一架專(zhuān)門(mén)用來(lái)觀測(cè)宇宙微波背景輻射（CMB）的太空望遠(yuǎn)鏡，不過(guò)已于2013年停止了數(shù)據(jù)采集。

其次，在紅外波段，現(xiàn)役的斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡暫時(shí)還沒(méi)有替代者。不過(guò)，2018年10月，美國(guó)航空航天局將發(fā)射哈勃空間望遠(yuǎn)鏡名義上的繼任者——詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JWST），它的主要工作波段落在近紅外和中紅外，算是對(duì)斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)補(bǔ)充。

然后是可見(jiàn)光波段。20多年前升空的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡如今已嚴(yán)重超期服役，垂垂老矣。未來(lái)，美國(guó)航空航天局沒(méi)有發(fā)射可見(jiàn)光波段的空間望遠(yuǎn)鏡的計(jì)劃。不過(guò)，夏威夷莫納科亞山頂上的兩架10米級(jí)的凱克望遠(yuǎn)鏡（Keck Telescope）聯(lián)合觀測(cè)時(shí)的分辨率等效于一架口徑85米的望遠(yuǎn)鏡，遠(yuǎn)超哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，這在某種程度上彌補(bǔ)了可見(jiàn)光波段的缺憾。此外，歐洲南方天文臺(tái)也曾宣稱(chēng)有計(jì)劃上馬一架口徑為100米的地面望遠(yuǎn)鏡，不過(guò)時(shí)間未定。

接下來(lái)是紫外波段。曾工作在這個(gè)波段的空間天文臺(tái)有很多，不過(guò)大部分已停止服役，目前還在工作的有哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、星系演化探測(cè)器（GELEX）、“雨燕”衛(wèi)星等。

之后是X射線(xiàn)波段。美國(guó)的錢(qián)德拉X 射線(xiàn)天文臺(tái)和歐洲的XMM-牛頓衛(wèi)星是該波段的佼佼者，前者具有極高的空間分辨率和較寬的波段，后者具有出色的波譜分辨率。值得一提的是，中國(guó)首顆X射線(xiàn)空間天文衛(wèi)星“慧眼”，已于2017年6月15日發(fā)射升空。

最后是伽馬射線(xiàn)波段。美國(guó)航空航天局在該波段最新發(fā)射的觀測(cè)儀器是2008年升空的費(fèi)米伽馬射線(xiàn)空間望遠(yuǎn)鏡。此望遠(yuǎn)鏡的主要工作是進(jìn)行大面積巡天，研究活動(dòng)星系核、脈沖星和暗物質(zhì)等天體物理學(xué)界的前沿課題?，F(xiàn)在，中國(guó)于2015年12月17日發(fā)射的“悟空”衛(wèi)星（DAMPE）在伽馬射線(xiàn)能譜的探測(cè)方面已經(jīng)全面超越了美國(guó)的費(fèi)米伽馬射線(xiàn)空間望遠(yuǎn)鏡，并且在宇宙伽馬能譜14TeV的位置上最先發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可疑信號(hào)，可能與暗物質(zhì)有關(guān)。一經(jīng)證實(shí)，這將是暗物質(zhì)研究史上一項(xiàng)里程碑式的大發(fā)現(xiàn)。