☉袁位 主編

1608年，荷蘭的一位眼鏡匠漢斯·利伯希（HansLippershey）偶然發(fā)現(xiàn)利用兩塊眼鏡片在特定的位置下，可以將遠(yuǎn)處的物體放大拉近，于是制作了世界上第一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡。望遠(yuǎn)鏡能夠使觀測(cè)者輕易地觀察遠(yuǎn)處物體的原因在于兩點(diǎn)：一是望遠(yuǎn)鏡利用光路系統(tǒng)將遠(yuǎn)處物體的視角放大；二是望遠(yuǎn)鏡通過(guò)更大的物鏡接收來(lái)自被觀測(cè)物體更多的光線，使觀測(cè)者能夠看到更多暗弱的細(xì)節(jié)。1609年，伽利略采用這種方法制作了世界上第一臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡。該望遠(yuǎn)鏡的放大倍率為40倍。自伽利略使用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)宇宙后，天文學(xué)得到了跨越式的發(fā)展?，F(xiàn)如今，各種功能強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡層出不窮，這些望遠(yuǎn)鏡與伽利略制作出的望遠(yuǎn)鏡有什么不同？又有哪些望遠(yuǎn)鏡被應(yīng)用到了天文研究與天文觀測(cè)中了呢？

伽利略望遠(yuǎn)鏡

我們都知道，可見(jiàn)光是電磁波譜上的一個(gè)特定波段。根據(jù)觀測(cè)波段的不同，可以將望遠(yuǎn)鏡分為射電望遠(yuǎn)鏡、紅外望遠(yuǎn)鏡、可見(jiàn)光望遠(yuǎn)鏡、紫外望遠(yuǎn)鏡、X射線望遠(yuǎn)鏡與γ射線望遠(yuǎn)鏡。按照望遠(yuǎn)鏡光路的設(shè)計(jì)，可以分為折射望遠(yuǎn)鏡（伽利略式、開(kāi)普勒式）、反射望遠(yuǎn)鏡（牛頓式、卡塞格林式）與折反射望遠(yuǎn)鏡（施密特-卡塞格林式、馬克蘇托夫-卡塞格林式）。按照望遠(yuǎn)鏡所在位置，還可以分為地面望遠(yuǎn)鏡與空間望遠(yuǎn)鏡。

一、折射望遠(yuǎn)鏡

折射望遠(yuǎn)鏡是望遠(yuǎn)鏡最早的形式。折射望遠(yuǎn)鏡的物鏡端為凸透鏡，目鏡端為凹透鏡（伽利略式）或凸透鏡（開(kāi)普勒式）。相對(duì)伽利略式望遠(yuǎn)鏡，開(kāi)普勒式望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)更大，光學(xué)性能優(yōu)良，成像效果更好，因此自發(fā)明以后成為折射望遠(yuǎn)鏡主要采用的光路系統(tǒng)。開(kāi)普勒折射望遠(yuǎn)鏡的主要缺點(diǎn)是成像為倒像，因此有些便攜式望遠(yuǎn)鏡需要加裝正像光路系統(tǒng)。

折射望遠(yuǎn)鏡主要有兩個(gè)制約其發(fā)展的問(wèn)題：

一是折射光路存在色差問(wèn)題。不同波長(zhǎng)的光（不同顏色）通過(guò)同樣材質(zhì)的透鏡時(shí)折射率是不同的，因此通過(guò)折射望遠(yuǎn)鏡后不同顏色光的焦點(diǎn)位置是不同的。這就導(dǎo)致在實(shí)際的觀測(cè)中，星體的像周圍會(huì)存在一圈彩色的光暈，影響觀測(cè)質(zhì)量。盡管后來(lái)工程師利用不同材質(zhì)透鏡作為消除色差的消色差鏡片，但是仍然無(wú)法完全消除折射望遠(yuǎn)鏡的色差問(wèn)題。

二是折射望遠(yuǎn)鏡的物鏡受成本和制造工藝的限制，無(wú)法造出大口徑望遠(yuǎn)鏡。由于透鏡的口徑與厚度成比例，大口徑的鏡片制作成本與難度會(huì)急劇增加。而且隨著折射望遠(yuǎn)鏡口徑的增大，鏡筒長(zhǎng)度也會(huì)大大增加望遠(yuǎn)鏡的支撐強(qiáng)度。目前世界上最大的折射望遠(yuǎn)鏡為1897年在美國(guó)葉凱士天文臺(tái)建的40英寸（1016毫米）折射望遠(yuǎn)鏡，該望遠(yuǎn)鏡至今仍在使用。

二、反射望遠(yuǎn)鏡

卡塞格林式反射光路系統(tǒng)

相較于折射望遠(yuǎn)鏡，反射望遠(yuǎn)鏡主要采用一塊拋物面反射鏡作為主鏡，望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)位于主鏡前方。1668年，牛頓在多次磨制透鏡未果的情況下，決定采用反射鏡來(lái)替代透鏡作為望遠(yuǎn)鏡的主鏡，并使用一個(gè)平面鏡將光線從側(cè)面引出鏡筒，發(fā)明了牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡。卡塞格林則修改了牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡的光路，將鏡筒中的平面鏡改為雙曲面鏡，并從主鏡后方將光路引出鏡筒?？ㄈ窳质椒瓷渫h(yuǎn)鏡提高了主鏡的焦長(zhǎng)，進(jìn)而提升了望遠(yuǎn)鏡的放大倍率。

望遠(yuǎn)鏡的放大倍率指望遠(yuǎn)鏡對(duì)于物體視張角的放大能力，計(jì)算方法為：

相較于折射望遠(yuǎn)鏡，反射望遠(yuǎn)鏡有三個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)，使它成為現(xiàn)代天文學(xué)研究最主要使用的大口徑望遠(yuǎn)鏡類型：

一是反射望遠(yuǎn)鏡不需要光線透過(guò)介質(zhì)進(jìn)行折射，因此有效避免了色差問(wèn)題。反射望遠(yuǎn)鏡的主鏡與二次反射鏡均沒(méi)有光線透過(guò)，但是使光線反射的鍍膜精度較高并且暴露于空氣中，所以需要定期維護(hù)?；蛟S細(xì)心的讀者會(huì)想到，目鏡是一個(gè)凸面鏡，為什么說(shuō)反射鏡避免了色差呢？現(xiàn)代天文臺(tái)使用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀察時(shí)，主要使用電子感光元件（早年為底片）對(duì)觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間曝光，獲得照片進(jìn)行科學(xué)研究，因此并沒(méi)有目鏡結(jié)構(gòu)。

二是反射望遠(yuǎn)鏡的主鏡可以采用拼接的方法建造出更大的口徑。現(xiàn)代大口徑望遠(yuǎn)鏡主要采用多塊反射鏡拼接的方法，將多塊直徑為1米左右的六邊形反射鏡拼接出直徑數(shù)米甚至數(shù)十米的主鏡而不影響觀測(cè)效果，使用拼接主鏡可以大大降低望遠(yuǎn)鏡的造價(jià)，使得建造更強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡成為可能。目前在建的最大口徑望遠(yuǎn)鏡為位于智利的E-ELT望遠(yuǎn)鏡，其設(shè)計(jì)口徑達(dá)到42米，采用798塊小型六邊形反射鏡構(gòu)成主鏡。

三是反射鏡背后可以采用主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，應(yīng)對(duì)重力對(duì)鏡面造成的彎沉，提高觀測(cè)精度。目前世界上口徑最大的單片反射望遠(yuǎn)鏡鏡面為位于美國(guó)亞利桑那州的LBT望遠(yuǎn)鏡，它的主鏡面直徑為8.4米。其背后有數(shù)千個(gè)微型液壓作動(dòng)裝置，以微米級(jí)別的精度調(diào)整鏡面的形狀，使之保持最佳形狀。

三、折反射望遠(yuǎn)鏡

折反射望遠(yuǎn)鏡的光路示意圖

折反射望遠(yuǎn)鏡是在卡塞格林式反射望遠(yuǎn)鏡的前方加裝折射鏡（矯正鏡）建造的望遠(yuǎn)鏡。施密特-卡塞格林式折反射望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱施卡）與馬克蘇托夫-卡塞格林式折反射望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱馬卡）的主要區(qū)別在于矯正鏡。施卡采用一塊非球面透鏡作為矯正鏡，而馬卡采用彎月形改正鏡。施卡的視野比較大，集光能力強(qiáng)，成像效果良好；馬卡視野相對(duì)小，集光能力較弱，彎月改正鏡較厚重，但是成本較低，焦距更長(zhǎng)。折反射望遠(yuǎn)鏡將鏡筒內(nèi)的光路折疊，因此在同樣的焦距條件下，折反射望遠(yuǎn)鏡最輕便。折反射望遠(yuǎn)鏡深得天文愛(ài)好者的喜愛(ài)。

天文臺(tái)也會(huì)使用大型施密特-卡塞格林式折反射望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行天文研究。例如，目前我國(guó)最大口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡——位于國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站的郭守敬望遠(yuǎn)鏡（大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡）。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡采用反射式施密特光學(xué)系統(tǒng)。主鏡口徑為6.5米，施密特改正鏡的口徑為4米，最大觀測(cè)視角為5°。望遠(yuǎn)鏡焦點(diǎn)處采用光導(dǎo)纖維收集來(lái)自不同星體的光線，可以最多同時(shí)測(cè)定4000顆星的光譜。郭守敬望遠(yuǎn)鏡是世界上光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡。

四、射電望遠(yuǎn)鏡

按照電磁波的波長(zhǎng)排列，可以將電磁波繪制成一個(gè)連續(xù)的波譜。射電望遠(yuǎn)鏡主要對(duì)天體發(fā)出的無(wú)線電波（射電波段）進(jìn)行觀測(cè)。由于大氣層對(duì)無(wú)線電波波段的屏蔽效果較弱，射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)基本不受天氣影響，加之無(wú)線電波對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡主鏡的材質(zhì)要求較低，因此大口徑射電望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)建造相對(duì)于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的難度要小。

射電望遠(yuǎn)鏡在觀測(cè)時(shí)，會(huì)受到許多不同射電波段信號(hào)的干擾，這些干擾會(huì)給射電望遠(yuǎn)鏡帶來(lái)噪聲信號(hào)——人類活動(dòng)、太陽(yáng)活動(dòng)或來(lái)自衛(wèi)星的通信。因此，提高射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)能力的主要方法是提高信號(hào)靈敏度，以便在噪聲信號(hào)中找到需要觀測(cè)研究的天體射電信號(hào)。提高射電望遠(yuǎn)鏡靈敏度的主要方法是提高射電望遠(yuǎn)鏡接收器的口徑；使用多個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡組成射電望遠(yuǎn)鏡陣列可以提高射電望遠(yuǎn)鏡的等效口徑，有助于提高射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率。

FAST射電望遠(yuǎn)鏡

單個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，意味著望遠(yuǎn)鏡的接收面積越大，則望遠(yuǎn)鏡的靈敏度越高，可以接收到更加暗弱的射電信號(hào)。多個(gè)小口徑射電望遠(yuǎn)鏡組成的射電望遠(yuǎn)鏡陣列中，最遠(yuǎn)的兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡距離相當(dāng)于這個(gè)望遠(yuǎn)鏡陣列的“等效口徑”。使用望遠(yuǎn)鏡陣列可以提高信號(hào)的分辨率，但是由于其接收面積較小，并不能提升望遠(yuǎn)鏡接收更暗弱信號(hào)的能力。

我國(guó)剛剛落成的球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)口徑為500米，是目前世界上單體口徑最大的射電望遠(yuǎn)鏡，也是世界上最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。FAST位于我國(guó)貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣，利用喀斯特地貌所形成的天然洼坑建設(shè)而成。

五、空間望遠(yuǎn)鏡

地球的大氣層是地球生命的保護(hù)傘。有了大氣層的保護(hù)，地球表面的白天不至于太熱，夜晚也不至于太冷（假設(shè)沒(méi)有大氣層的保護(hù)，如月球，白天在陽(yáng)光垂直照射的地方溫度高達(dá)127攝氏度，而夜晚溫度則會(huì)降至-183攝氏度）。大氣層將太陽(yáng)的紫外線和其他宇宙高能輻射與地面隔絕，給了生命穩(wěn)定的生存、進(jìn)化條件。但是對(duì)于天文觀測(cè)而言，大氣層則像是給望遠(yuǎn)鏡戴上了一副厚厚的“眼鏡”，將許多特定波長(zhǎng)的電磁波吸收，嚴(yán)重影響觀測(cè)效果。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡

為了獲得更加良好的觀測(cè)效果，避免大氣層對(duì)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的影響，科學(xué)家與工程師向太空發(fā)射了空間望遠(yuǎn)鏡。最具盛名的便是1990年升空、至今仍在服役的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HubbleSpaceTelescope）。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的主鏡口徑為2.4米，可以對(duì)紅外波段、可見(jiàn)光和紫外波段進(jìn)行觀測(cè)。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡堪稱天文學(xué)史上最重要的儀器。在軌27年來(lái)，它記錄了海量的高精度觀測(cè)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)解決了許多懸而未決的天文學(xué)問(wèn)題，使人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的進(jìn)步。

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空后，全世界的天文學(xué)家都對(duì)它的表現(xiàn)充滿了期待。然而哈勃空間望遠(yuǎn)鏡傳回的笫一批照片卻令天文學(xué)家們大失所望：所有照片似乎都像是近視眼看到的世界，星點(diǎn)都變成了圓形的光斑。原來(lái)是由于哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的主鏡在磨制時(shí)出現(xiàn)了2微米的誤差，才導(dǎo)致出現(xiàn)這種問(wèn)題。1993年，工程師對(duì)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了第一次空間維護(hù)：使用另一塊有反向誤差的副鏡取代光路上原有的完好的鏡片，使得哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的光路重新回歸正常。自此以后，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡帶領(lǐng)人類開(kāi)始了宇宙的發(fā)現(xiàn)之旅，每一張傳回的照片都堪稱完美。截至2017年，工程師一共對(duì)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行過(guò)6次空間維護(hù)。

除哈勃空間望遠(yuǎn)鏡以外，科學(xué)家、工程師還向太空發(fā)射了許多針對(duì)不同波段的太空望遠(yuǎn)鏡或?qū)嶒?yàn)平臺(tái)，如斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡、錢(qián)德拉X射線太空望遠(yuǎn)鏡、康普頓伽馬射線天文臺(tái)衛(wèi)星等，這些空間望遠(yuǎn)鏡所觀測(cè)的波段大多在地面無(wú)法實(shí)現(xiàn)。還有即將發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，計(jì)劃中將取代哈勃空間望遠(yuǎn)鏡成為新一代主力太空望遠(yuǎn)鏡。