文/ 葉楠

照相術與新世紀的望遠鏡

歷史的車輪不斷向前邁進，天文望遠鏡的制造工藝也在快速發(fā)展著。伽利略第一次指向夜空的望遠鏡口徑僅1.5 厘米，牛頓設計的第一臺反射望遠鏡口徑也只有3.3 厘米。之后兩個多世紀里，在惠更斯、肖特、赫歇爾、克拉克父子等制鏡大師們的努力下，望遠鏡的口徑突破了1 米。天文學家們變得越來越忙碌，因為利用這些望遠鏡人們觀測到的天體數(shù)量是肉眼可見的億萬倍，有太多天體值得人們?nèi)パ芯?。?0 世紀以前，雖然日心說已經(jīng)深入人心，但是人類對于宇宙的概念還是局限在銀河系之內(nèi)，天上那些深空天體除了星團以外都被認為是銀河系內(nèi)的星云。到了20 世紀初，人類對于太陽系的認識已經(jīng)拓展到了海王星附近，而海王星之外的世界我們還是一片未知。

照相術的發(fā)明

現(xiàn)存最古老的照片是由法國人尼埃普斯于1826 年拍攝的，他將瀝青涂在一種熔點非常低的鉛錫合金上，經(jīng)過長達8 個小時的曝光獲得了《窗外的風景》這張照片（右圖）。尼埃普斯稱這種技術為日光蝕刻法，不過這項技術并未完善他就去世了。法國畫家達蓋爾繼續(xù)尼埃普斯的研究，發(fā)明了銀版照相術。法國政府于1839 年買下了他的專利權(quán)，宣告照相術的誕生。不過早期的銀版照相術需要的曝光時間最短也要十幾分鐘，很難拍攝肖像和移動的物體。1841年，法國攝影師克勞德發(fā)明了利用帶有氯化碘的感光底片成功將曝光時間縮短到以秒計量。直至20 世紀初，感光效率更高且體積更小的相機逐漸問世，大大拓寬了相機的應用場景。

洛韋爾天文臺

洛韋爾天文臺坐落于亞利桑那州旗桿鎮(zhèn)，始建于1894 年，是美國歷史最古老的天文臺。天文臺擁有多架望遠鏡，其中口徑60 厘米的折射望遠鏡至今仍作為公共教育場所開放，這臺望遠鏡是由克拉克父子建造的。此外還有口徑4.3 米的發(fā)現(xiàn)望遠鏡、口徑1.8 米的珀金斯望遠鏡、口徑1.1 米的霍爾望遠鏡等等。但是最著名的卻是一臺口徑只有33 厘米的小望遠鏡，它的名字是洛韋爾攝星鏡（左圖），1930 年湯博利用這臺望遠鏡拍攝的照片發(fā)現(xiàn)了冥王星。

太陽系疆域的拓展

自古以來，人類目視可見的行星只有水、金、火、木、土5 顆，加上同樣會在恒星間運行的太陽和月亮，組成了一個星期有7 天的傳統(tǒng)，每天代表其中一個天體，例如周日是太陽日、周一是月球日、周六是土星日等等。在望遠鏡發(fā)明以后，赫歇爾在1781年發(fā)現(xiàn)了天王星；皮亞齊于1801 年發(fā)現(xiàn)了谷神星；勒威耶和加勒于1846 年發(fā)現(xiàn)了海王星。發(fā)現(xiàn)海王星的望遠鏡是位于柏林天文臺的弗勞恩霍夫望遠鏡，是一臺口徑為24 厘米的折射望遠鏡（右圖）。太陽系內(nèi)發(fā)現(xiàn)的天體越來越多，在19 世紀誕生了小行星這個名詞。而在進入21 世紀以后，隨著冥王星附近更多柯伊伯帶天體的發(fā)現(xiàn)，矮行星的概念也由此誕生。

宇宙有多大

在古漢語中，“宇”“宙”二字分別指房屋的屋檐和棟梁（左圖）?！吧舷滤姆皆挥睿艁斫裨恢??！边@是戰(zhàn)國時期就有的記載，宇代表空間，宙代表時間。而在西方，宇宙的英文Universe 起源于拉丁語Universum，意為全部。以畢達哥拉斯為代表的古希臘哲學家認為，宇宙就是一切的物質(zhì)與空間。現(xiàn)代宇宙的定義是時間、空間及其所包含一切的統(tǒng)一體。20 世紀前夕，人類認識的宇宙主要由哥白尼提出的日心說為主導，開普勒定律和牛頓萬有引力定律成為了日心說最強大的理論支持。但是隨著更多深空天體的發(fā)現(xiàn)，天文學家開始試圖測算這些遙遠天體的距離。只有知道最遙遠天體的距離才能測算宇宙有多大，但是天文上的距離卻是相當?shù)碾y以測量。

天鵝座61

恒星距離我們都非常遙遠，要測量一顆恒星的距離不可能利用尺子或者激光反射等地球上的常規(guī)手段。天文學家們很早就想出了利用地球公轉(zhuǎn)軌道，當?shù)厍蚍謩e位于軌道兩側(cè)時進行觀測，由于觀測角度不同，理論上目標天體在夜空中的位置會出現(xiàn)微小的變化，這被稱為周年視差法。人類利用這種方法測量出的第一顆遙遠恒星是天鵝座61，德國天文學家貝塞爾于1838 年測出天鵝座61 的視差為313.6 毫角秒，約10.4 光年，與現(xiàn)代測量值11.4 光年相差不多。不過對于更遙遠天體的距離，周年視差方法也顯得力不從心。圖為1984 年德國發(fā)行的貝塞爾誕辰200 周年紀念郵票。

世紀大辯論

1920 年4 月26 日，在美國首都華盛頓的一次科學年會上，天文學家沙普利和柯蒂斯分別就宇宙尺度問題發(fā)表了各自的演講，后人習慣稱之為“大辯論”。實際上這并不能稱之為辯論，用沙普利的話說，這是“對同一個題目以不同的觀點所作的兩個報告”。兩個報告各自只有40 分鐘的演講時間，題目則是關于“漩渦星云的距離及銀河系的大小”。會后，兩人將重新整理的演講稿以共同作者的名義發(fā)表在1921 年的美國研究理事會通報上，名為“宇宙的尺度”。但是，科學真理僅靠“辯論”是不夠的，還需要更多的觀測實踐去證實。

胡克望遠鏡

威爾遜山天文臺位于美國加州帕薩迪納附近的威爾遜山上，海拔1742 米，是1904 年在美國天文學家海爾的領導下建立的。1917 年，由鋼鐵大亨約翰·胡克和卡耐基研究所資助的100 英寸（約2.5 米）反射望遠鏡終于投入使用，并被命名為胡克望遠鏡。1919 年，美國物理學家邁克爾遜為這架望遠鏡配備了一臺干涉儀，這是光學干涉儀首次在天文學上得到應用。有了干涉儀，這臺望遠鏡可以精確的測量某些恒星的大小和距離。直到1948 年以前，胡克望遠鏡都是當時世界上最大的天文望遠鏡。

哈勃的定論

1921 年，瑞典天文學家倫德馬克根據(jù)M33 中的亮星測出它的距離至少在100 萬光年之外。1923 年，哈勃用威爾遜山的胡克望遠鏡在M31 中發(fā)現(xiàn)了一顆造父變星，即使利用沙普利測定的造父變星周光關系也可以得出M31 距離在100萬光年之外，大大超過沙普利估計的銀河系直徑。1924 年12 月，在美國天文學年會上，美國天文學家羅素宣布了哈勃的這一發(fā)現(xiàn)。4 年前的“大辯論”終于有了答案，“旋渦星云”變成了“旋渦星系”，銀河系也不再是宇宙的全部。哈勃的這一發(fā)現(xiàn)為星系天文學及宇宙學的時代拉開了序幕。圖為哈勃用胡克望遠鏡工作時的照片。

海爾望遠鏡

海爾在威爾遜山天文臺建造的1.5 米和2.5 米望遠鏡都非常成功，對星系天文學和宇宙學的發(fā)展做出了巨大的貢獻。同時，天文學家們對于更大口徑望遠鏡的渴望是從來不會停止的。1928 年，海爾從洛克菲勒基金會得到了600 萬美元資助，開始建造位于圣地亞哥的帕洛瑪山天文臺，其中最重要的儀器是一架口徑5.1 米的反射望遠鏡。主鏡鏡片由康寧公司制作，從1936 年開始，在第二次世界大戰(zhàn)期間中斷，直到1948 年望遠鏡才最終建造完成。1949 年1 月26 日，這臺當時世界上最大的望遠鏡在哈勃的指導下開始觀測，首個目標是NGC 2261。為了紀念海爾做出的貢獻，這臺望遠鏡后來被命名為海爾望遠鏡。圖為正在組裝中的海爾望遠鏡主鏡。

海爾望遠鏡的發(fā)現(xiàn)

在落成之后的近半個世紀里，海爾望遠鏡都是世界上性能最優(yōu)秀的天文望遠鏡，它為恒星演化、宇宙學和高能天體物理方面做出了許多重大貢獻。1963 年，荷蘭天文學家施密特利用海爾望遠鏡拍攝了射電源3C 273 的光譜，這個看似恒星的天體卻擁有著高達0.158 的紅移，這是人類首次證認類星體的光譜，施密特也因此登上了1966 年3 月11 日《時代》周刊封面（左圖）。在哈雷彗星于1986 年回歸前，配備了CCD 相機的海爾望遠鏡于1982 年已經(jīng)拍攝到了回歸前的哈雷彗星。1997 年，兩顆海王星的衛(wèi)星被海爾望遠鏡發(fā)現(xiàn)。2010 年，美國噴氣推進實驗室的團隊利用海爾望遠鏡對系外行星HR 8799 進行了成像觀測。

海爾望遠鏡的主鏡重達14.5 噸，時至今日，它依然是全世界第二大的由單片玻璃作為主鏡的望遠鏡，這是20世紀中葉人類工藝技術水平的一項重大成就。不過它也接近了單鏡片能夠在不同角度下保證其剛性的最大極限。如果再大一點，鏡片在本身的重力作用下帶來的形變會對鏡面的精度帶來極大的影響。若想制造更大的望遠鏡，這將是未來要面對的首要問題。當然，人類最大的優(yōu)點就是能夠?qū)W習進步，從而創(chuàng)造出更新的技術來解決這些問題。