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中國(guó)古代“望遠(yuǎn)鏡”渾儀是古代天文學(xué)家使用最廣泛的一種觀天儀器，是天文學(xué)家測(cè)定天體方位時(shí)必不可少的武器。其功能相當(dāng)于現(xiàn)代的望遠(yuǎn)鏡，不過沒有用鏡片，以中空的窺管替代
1608年，一名荷蘭眼鏡商發(fā)明了第一架小望遠(yuǎn)鏡。次年，著名的意大利科學(xué)家伽利略第一次用自制望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)星球，從此人類踏上了探索宇宙的新征程。
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伽利略組裝和使用的折射望遠(yuǎn)鏡
400年來凝聚了人類雄心勃勃的追求與智慧望遠(yuǎn)鏡從小口徑到大口徑從光學(xué)望遠(yuǎn)鏡到全電磁波段望遠(yuǎn)鏡從地面望遠(yuǎn)鏡到空間望遠(yuǎn)鏡——望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)成為人類文化最偉大的奇跡之一，它不僅使天文學(xué)發(fā)生了革命而且深刻地影響了其他科學(xué)的發(fā)展乃至整個(gè)人類社會(huì)的進(jìn)步改變了人類的宇宙觀！
“天外有天”
在伽利略之前，沉迷于夜空世界的天文學(xué)者只能用他們的肉眼來觀察天空。伽利略自制的望遠(yuǎn)鏡所放大的倍率在今天看來小得可憐。 但在人類科學(xué)史上卻引發(fā)了一場(chǎng)革命。從那以后，望遠(yuǎn)鏡口徑的每一次增大，都導(dǎo)致我們認(rèn)識(shí)宇宙眼界的擴(kuò)展。
1608年，荷蘭眼鏡商漢斯·利伯希發(fā)明了一種奇妙的“光管”能夠把遠(yuǎn)處物體放大，并為此申請(qǐng)了專利。1609年，意大利物理學(xué)家伽利略聽說此事后，就自行制造出了一架小天文望遠(yuǎn)鏡。這架望遠(yuǎn)鏡口徑4．4厘米，長(zhǎng)1．2米，放大率只有32倍，而且視野非常狹窄。但是，伽利略利用它觀測(cè)到了月球隕石坑、太陽黑子、木星的4顆衛(wèi)星、土星環(huán)，并指出銀河實(shí)際上是由許多恒星構(gòu)成的。伽利略還觀測(cè)到宇宙并非地心說主張的那樣，所有天體都圍繞地球運(yùn)行。
1672年，牛頓提出了一種新的望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)概念。區(qū)別于伽利略的折射望遠(yuǎn)鏡，牛頓的新望遠(yuǎn)鏡使用一面凹透鏡將光線聚集并反射到焦點(diǎn)上，因此被稱為反射望遠(yuǎn)鏡。反射望遠(yuǎn)鏡的反射鏡就像一個(gè)水桶一樣，水桶越大，裝的水越多，反射鏡越大，能夠收集到的光也越多。這種設(shè)計(jì)使望遠(yuǎn)鏡的放大倍率達(dá)到了數(shù)百萬倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了折射望遠(yuǎn)鏡所能達(dá)到的極限。雖然基本原理一直不變，但牛頓使用的6英寸直徑小銅鏡卻在隨后的歲月里逐漸被更大口徑的折射鏡所取代。1845年，威廉·赫歇爾用自制的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了天王星，他還建成了當(dāng)時(shí)世界上最大的反射望遠(yuǎn)鏡，首次通過觀測(cè)證實(shí)了銀河系的恒星呈扁平狀分布。
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牛頓設(shè)計(jì)的反射望遠(yuǎn)鏡
19世紀(jì)中葉以后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工藝制造水平的提高，使人們建造大型精密的望遠(yuǎn)鏡成為了可能。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。它的主反射鏡口徑為100英寸。正是使用這座望遠(yuǎn)鏡，美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)了仙女座星云其實(shí)是由大量恒星組成的，而且距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過銀河系的尺度。人們終于知道銀河系外“天外有天”的事實(shí)了。
從地面到太空
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下一代太空望遠(yuǎn)鏡 2007年5月10日，美國(guó)宇航局在華盛頓國(guó)家廣場(chǎng)向媒體和公眾展示了下一代太空望遠(yuǎn)鏡——詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡的仿真模型。韋布將于2013年進(jìn)入太空，接替“年邁”的哈勃望遠(yuǎn)鏡。這是詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡在太空工作的假想圖。
1929年，哈勃的重要發(fā)現(xiàn)，為現(xiàn)代宇宙學(xué)奠定了觀測(cè)基礎(chǔ)，并激勵(lì)了全世界建造更大望遠(yuǎn)鏡的決心——射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明，為如同被關(guān)在黑屋子里窺探外界的人類打開了一扇大窗；而空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射，更激發(fā)了無數(shù)人對(duì)探索宇宙的渴望。
二戰(zhàn)期間，英國(guó)人發(fā)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)會(huì)受到來自太陽黑子和耀斑的干擾。戰(zhàn)后雷達(dá)變身為射電望遠(yuǎn)鏡，給天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展帶來了一次飛躍。不過由于地球大氣的影響，大部分短波長(zhǎng)的紫外線及X射線無法到達(dá)地面。為了要觀測(cè)它們，唯一的辦法是到大氣層外去。航天技術(shù)給望遠(yuǎn)鏡帶來了最徹底的一次飛躍。
1990年4月25日，由美國(guó)宇航局主持建造的巨型空間天文臺(tái)——口徑2．4米、工作波長(zhǎng)從紫外到近紅外的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，由航天飛機(jī)運(yùn)載升空。它耗資30億美元，是目前所有天文觀測(cè)項(xiàng)目中規(guī)模最大、投資最多、最受公眾注目的一項(xiàng)。由于可以不受地球大氣的干擾，哈勃望遠(yuǎn)鏡的圖像清晰度是地球上同類望遠(yuǎn)鏡拍下圖像的10倍，被視為全球最大和最精確的天文望遠(yuǎn)鏡，10多年來解開了很多宇宙的謎團(tuán)。2007年12月，美國(guó)宇航局宣布將對(duì)“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行升級(jí)。2009年5月，國(guó)際空間站的宇航員們將最后一次造訪年近20歲高齡的哈勃望遠(yuǎn)鏡，并給它增添一臺(tái)新的攝像機(jī)和其他設(shè)備以讓它在太空觀測(cè)工作中發(fā)揮更多的作用。隨著哈勃的組件日漸老化，退役是遲早問題。2009年3月，美國(guó)“開普勒”軌道望遠(yuǎn)鏡將開始一個(gè)為期3年的觀測(cè)計(jì)劃，在遙遠(yuǎn)的空間中搜尋更多類似地球的行星。而美國(guó)太空總署的詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡定于2011年發(fā)射升空，預(yù)計(jì)2013年面世。
地面望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展也在一日千里地進(jìn)步，為了隨時(shí)校正鏡面的重力和溫度變形，鏡面背后安裝了一排排計(jì)算機(jī)指揮的傳感器。而位于智利的由4臺(tái)8米望遠(yuǎn)鏡組成的VLT望遠(yuǎn)鏡，甚至在激光星的幫助下，使鏡面產(chǎn)生相應(yīng)形變來補(bǔ)償大氣擾動(dòng)的影響。這些稱為“主動(dòng)光學(xué)”和“自適應(yīng)光學(xué)”的新技術(shù)使望遠(yuǎn)鏡的分辨率達(dá)到和空間望遠(yuǎn)鏡媲美的水平，使人類的視野能夠達(dá)到遙遠(yuǎn)的宇宙深處。（劉金玉／整理編譯）
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歐洲擬建世界最大天文望遠(yuǎn)鏡：歐洲南方天文臺(tái)（ESO）2006年12月11日宣布，歐洲南方天文臺(tái)成員國(guó)計(jì)劃投資5700萬歐元，建造一個(gè)直徑達(dá)42米的世界最大天文望遠(yuǎn)鏡。這是一張12月11日由歐洲南方天文臺(tái)發(fā)布的該天文望遠(yuǎn)鏡的效果圖。
伽馬射線大區(qū)域 太空望遠(yuǎn)鏡開工
▲美國(guó)東部時(shí)間2008年6月11日，美國(guó)將“伽馬射線大區(qū)域太空望遠(yuǎn)鏡(GLAST)”送入太空。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)約2．8米，直徑約2．5米。美國(guó)宇航局介紹說，升空大約75分鐘后，望遠(yuǎn)鏡將進(jìn)入預(yù)定的距地球表面大約565公里高度的飛行軌道，每隔90分鐘繞地球一周。
GLAST由美國(guó)航空航天局聯(lián)合美國(guó)能源部建造，法國(guó)、德國(guó)、意大利、日本和瑞典5國(guó)政府機(jī)構(gòu)及科研組織給予了資金和技術(shù)支持。項(xiàng)目總耗資約為6．9億美元，美國(guó)出資6億美元。
哈勃太空望遠(yuǎn)鏡名氣大
1998年10月8日，美國(guó)宇航局于1990年4月發(fā)射的太空望遠(yuǎn)鏡——哈勃，發(fā)現(xiàn)迄今最遙遠(yuǎn)的星系。哈勃望遠(yuǎn)鏡裝備的儀器可以幫助天文學(xué)家們窺探到宇宙形成后約10億年時(shí)的宇宙早期面貌。2007年1月29日，美國(guó)宇航局的官員說，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的高級(jí)巡天照相儀由于短路受損，喪失了大部分工作能力。高級(jí)巡天照相儀是第三代太空照相設(shè)備，包括3臺(tái)電子照相機(jī)及濾波器和分散器等輔助裝置。2002年“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)機(jī)組人員進(jìn)行哈勃望遠(yuǎn)鏡太空維修時(shí)，將其安裝上去。這是2002年哈勃太空望遠(yuǎn)鏡經(jīng)過維修后飛行在地球上空的資料照片。
英美居民借“望遠(yuǎn)鏡”隔洋相望
2008年5月23日，在英國(guó)首都倫敦泰晤士河的塔橋附近，人們透過名為“Telectroscope”的望遠(yuǎn)鏡遙望大洋彼岸的美國(guó)紐約。兩架長(zhǎng)11米，高3米的“Telectroscope”望遠(yuǎn)鏡分別被安裝在倫敦塔橋和紐約布魯克林大橋附近，并與光纖網(wǎng)絡(luò)相連。兩地的人們可以通過這兩架望遠(yuǎn)鏡，利用光纖成像，看到大洋彼岸的城市風(fēng)光，還可以與對(duì)面的人打招呼，寫字留言。
光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的歷程
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將望遠(yuǎn)鏡指向天空
美國(guó)Yerkes Observatory 40英吋折射鏡
帕洛瑪山天文臺(tái)的48英寸施密特望遠(yuǎn)鏡 另一種望遠(yuǎn)鏡 T _, m5 S" X- J& F多朗德還指出，牛頓關(guān)于透鏡的色差永遠(yuǎn)不可避免的觀點(diǎn)肯定是錯(cuò)了。這說明，即使像牛頓那樣偉大的人物也有可能出錯(cuò)，能夠認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)實(shí)在是件大好事。0 m! r- X0 Y$ E$ B 牛頓是個(gè)遺腹子，又是早產(chǎn)兒，并且差點(diǎn)夭亡。他年幼時(shí)，對(duì)周圍的一切充滿好奇，但并不顯得特別聰明。十來歲時(shí)，他在學(xué)習(xí)上似乎還相當(dāng)遲鈍。1660年，牛頓在舅父的促成下進(jìn)了劍橋大學(xué)，1665年畢業(yè)，成績(jī)并不突出。接著，為了躲避倫敦大火引發(fā)的瘟疫，牛頓回到了母親的農(nóng)場(chǎng)。 ( z2 U. v j' _2 W; F d 就在1665年到1666年這段時(shí)間，牛頓在數(shù)學(xué)方面奠定了微積分的基礎(chǔ)，在力學(xué)方面奠定了如今我們稱為“牛頓力學(xué)”的基礎(chǔ)，在光學(xué)方面奠定了光的顏色的理論基礎(chǔ)，并且形成了萬有引力定律的基本構(gòu)想……在一年之中，這個(gè)24歲的青年人卻作出了如此眾多、如此重大的驚人發(fā)現(xiàn)，實(shí)在是人類文明史上的一大奇跡。后來，人們就把1666年稱為牛頓的“奇跡年”。2 t7 \% i* {/ t! ^0 L8 _* K 1696年，ZF委任54歲的牛頓為造幣廠總監(jiān)，1699年又升任總裁。這兩個(gè)職位薪俸優(yōu)厚，地位顯赫，只有牛頓才當(dāng)之無愧。但是，這卻斷送了牛頓的科學(xué)工作。他辭去教授職務(wù)，專心從事新職；他改善了造幣廠的工藝，令偽造者喪膽。他還任命多年的好友哈雷做自己的下屬。& u2 {+ s$ [ Y 1727年3月20日，牛頓在倫敦逝世，安葬在威斯敏斯特大教堂。他有兩句眾所周知的不朽名言，一句是“如果我比別人看得更遠(yuǎn)些，那是因?yàn)槲艺驹诰奕藗兊募缟?#8221;，出自他于1676年寫給胡克(Robert Hooke)的一封信；另外，據(jù)說他還說過：“我不知道世人對(duì)我怎樣看，但在我自己看來，就像一個(gè)在海濱嬉戲的孩子，不時(shí)為找到一個(gè)比別人更光滑的卵石或更美麗的貝殼而高興，而我面前浩瀚的真理之海，卻完全是個(gè)謎。” % ^- F" q/ n# J& A( U0 v6 G" M 現(xiàn)在我們?cè)賮砜纯?，牛頓本人為了避免色差，是如何另辟蹊徑的。他決定用反射代替折射，走反射望遠(yuǎn)鏡之路。那時(shí)的反射鏡，鏡面都是金屬的。 - T5 P3 D ?3 f n& B: {- T 從古代起，人們就知道曲面反光鏡也可以聚光。平行光線從一個(gè)凹面鏡上反射，也會(huì)發(fā)生會(huì)聚。反射鏡以完全相同的方式反射所有各種顏色的光，因此不會(huì)產(chǎn)生色差。 3 e$ j$ v) w0 x& z: \ 然而，反射望遠(yuǎn)鏡也有問題：光從鏡筒的一端進(jìn)來，投射到反射鏡上，又返回到同一端。俯身在那兒察看物像的觀測(cè)者本身就會(huì)擋住光線的入射。 * m; h6 p3 X' O+ ` 為此，牛頓用了兩面鏡子：主鏡是一塊球面鏡，副鏡是一塊平面鏡。光從一端進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡筒，射到另一端的球面主鏡上，經(jīng)它反射的光在到達(dá)焦點(diǎn)之前，又射到小小的平面副鏡上。副鏡的方向與主鏡交成45°角。射到副鏡上的會(huì)聚光線轉(zhuǎn)過90°反射出來，并進(jìn)一步會(huì)聚而通過目鏡，目鏡就裝在望遠(yuǎn)鏡鏡筒邊上光線入射處附近。誠(chéng)然，副鏡會(huì)擋掉一小部分入射光，但是損失并不大。' W v5 z1 e4 A( [5 b& \; g 1668年，26歲的牛頓親手制成第一架真正投入使用的反射望遠(yuǎn)鏡。它長(zhǎng)約15厘米，主鏡直徑約2.5厘米，看起來像個(gè)小玩具。但是，它產(chǎn)生的物像卻可以放大40倍。1672年1月11日，他將第二架反射望遠(yuǎn)鏡送達(dá)皇家學(xué)會(huì)，并一直留存至今，其主鏡口徑為5厘米。 ( U" S8 P" O; ~* r2 E& l5 P 反射望遠(yuǎn)鏡面臨的困難之一是，不容易獲得高反射率的金屬反射鏡。例如，牛頓本人的鏡子只能反射16%的入射光。這就使反射望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生的物像要比同樣大小的折射望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生的物像暗淡。其次，金屬反射鏡會(huì)逐漸失去光澤，從而大大削弱反射能力，因此經(jīng)常需要拋光。折射望遠(yuǎn)鏡則除了偶爾需要清除積塵外，可以一直工作下去。 1 Z- X) h' M3 c* O" U+ d/ V" h2 h& E 在折射望遠(yuǎn)鏡方面，初期的消色差透鏡直徑很難指望超過10厘米。反射望遠(yuǎn)鏡卻能做得更大，因?yàn)殍T造大塊的金屬要比制造大塊優(yōu)質(zhì)的玻璃更容易。況且，玻璃透鏡必須整個(gè)都完好無瑕，而金屬反射鏡只要鏡面形狀確當(dāng)并具有足夠高的反射率即可。 \ K/ c( h9 M 反射望遠(yuǎn)鏡和消色差折射望遠(yuǎn)鏡各有所長(zhǎng)，亦各有所短。它們仿佛在展開一場(chǎng)真正的競(jìng)賽：雙方都在努力克服自身的缺陷，哪一方取得突破性的進(jìn)展，這一方就會(huì)受到更多天文學(xué)家的青睞。到了18世紀(jì)末葉，競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)漸漸倒向了大型反射望遠(yuǎn)鏡。, J# U; g$ q, l2 \ 這時(shí)，由于威廉.赫歇爾的工作，望遠(yuǎn)鏡和天文學(xué)進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代。 ; D# E" o9 V, L 十八、十九世紀(jì)的望遠(yuǎn)鏡 / X$ L: [! T$ a$ t 赫歇爾兄妹" h+ j: g* w" B 1738年11月15日，威廉?赫歇爾生于德國(guó)的漢諾威城。父親是軍樂隊(duì)的雙簧管手，6個(gè)孩子中，威廉排行第三。他15歲就在軍隊(duì)中當(dāng)小提琴手和吹奏雙簧管，志向是當(dāng)一名作曲家。但是，他又將大量業(yè)余時(shí)間用于研究語言和數(shù)學(xué)，后來還加上了光學(xué)，并產(chǎn)生了用望遠(yuǎn)鏡親眼觀看各種天體的強(qiáng)烈愿望。 ( _7 A# s- _9 z, C/ K1 v 1756年，七年戰(zhàn)爭(zhēng)來臨了。戰(zhàn)爭(zhēng)的起因是英國(guó)與法國(guó)爭(zhēng)奪殖民地以及普魯士與奧地利爭(zhēng)奪中歐霸權(quán)。結(jié)局是普魯士戰(zhàn)勝奧地利，成為歐洲大陸的新興強(qiáng)國(guó)；英國(guó)戰(zhàn)勝法國(guó)，獲得法屬北美殖民地，并確立了在印度的優(yōu)勢(shì)。威廉厭惡戰(zhàn)爭(zhēng)，遂設(shè)法于1757年脫離軍隊(duì)，偷渡到英國(guó)，先是在利茲，后來又到了勝地巴斯。音樂天賦幫助威廉?赫歇爾在巴斯站住了腳。到1766年，他已經(jīng)成為當(dāng)?shù)刂娘L(fēng)琴手兼音樂教師，每周指導(dǎo)的學(xué)生多達(dá)35名。# z p8 d) X# c9 R0 {8 ] 當(dāng)時(shí)的英國(guó)正處于漢諾威王朝前期。先前，1714年8月，英國(guó)斯圖亞特王朝的安妮女王駕崩，因無后嗣，而由54歲的喬治一世繼位。喬治原是漢諾威選帝侯，他不會(huì)講英語，只好用法語與臣下交談。1727年，喬治一世回到漢諾威，因中風(fēng)于6月11日亡故，剛好死在他出生的那間房間里。 : N- j8 K; S" z4 M) m7 m+ Z: }' x 喬治一世之子繼任英王，是為喬治二世，1727年~1760年在位。他熱愛軍事，是最后一位出現(xiàn)在戰(zhàn)場(chǎng)上的英國(guó)國(guó)王。他還熱愛音樂，是德國(guó)音樂家亨德爾的贊助人。1760年，喬治二世心臟病發(fā)作去世，其孫子繼位為喬治三世。后者生于1738年，與威廉?赫歇爾同庚，在位長(zhǎng)達(dá)60年之久。: v3 {) q+ [6 _- h: _: [: m 威廉?赫歇爾的妹妹卡羅琳比他小12歲，1750年3月16日生于漢諾威，排行第五。1772年，威廉回漢諾威呆了一段時(shí)間，然后卡羅琳便隨他到了巴斯。她天生一付好歌喉，到巴斯后就接受歌唱訓(xùn)練，每天至少上課兩次，同時(shí)向威廉學(xué)習(xí)英語和數(shù)學(xué)。她不僅悉心料理家務(wù)，而且用極詳細(xì)的日記，留下了威廉整整50年的工作史。當(dāng)威廉整天不停地磨鏡，因而無暇騰出手來吃飯時(shí)，卡羅琳就親自一點(diǎn)一點(diǎn)地喂他吃東西。0 D: s7 b" H- p8 ~- Y7 P' i 威廉.歇爾于1773年用買來的透鏡造出了自己的第一架折射望遠(yuǎn)鏡，焦距1.2米、可放大40倍。接著，他又造了一架9米多長(zhǎng)的折射望遠(yuǎn)鏡，并且租了一架反射望遠(yuǎn)鏡來進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果對(duì)后者極為滿意。從此，他就潛心于制造反射望遠(yuǎn)鏡了。 0 Q2 k k5 v% C. Y8 E; }% F: Z 到1776年，威廉已經(jīng)制造出焦距3米和6米的反射望遠(yuǎn)鏡。有了精良的武器，他便從1779年開始“巡天”觀測(cè)。他特別關(guān)注近距雙星，即天空中看起來靠得特別近的兩顆星。兩年后他編出第一份雙星表，共列有269對(duì)雙星，1781年由英國(guó)皇家學(xué)會(huì)出版。 ) l+ V' T; w- Q$ \5 s, E. ] 1781年3月13日，威廉在人類歷史上破天荒地發(fā)現(xiàn)了一顆比土星更遙遠(yuǎn)的新行星——天王星。喬治三世為自己的漢諾威同鄉(xiāng)取得如此輝煌的成就滿心歡喜，便寬恕了赫歇爾早年擅離軍隊(duì)的過錯(cuò)，并任命其為御用天文學(xué)家，從此威廉就不再靠音樂謀生而專致于天文研究了。' ]2 G0 n) Y4 M6 v 1782年下半年，威廉應(yīng)國(guó)王邀請(qǐng)，移居位于倫敦西面、溫莎東側(cè)的白金漢郡達(dá)切特。4年后，他編制出第二份雙星表，其中包含434對(duì)新的雙星。他努力研究恒星的空間分布，成了研究銀河系結(jié)構(gòu)的先驅(qū)。他于1784年向皇家學(xué)會(huì)宣讀了論文《從一些觀測(cè)來研究天體的結(jié)構(gòu)》，首次提出銀河系形狀似盤，銀河就是盤平面的標(biāo)志。在廣闊無垠的恒星世界中，太陽系只是微不足道的滄海一粟。早先，哥白尼將地球逐出了“宇宙的中心”；如今，赫歇爾又將太陽逐出了這一特殊地位。) R& K- s! ]6 @ 1786年，他發(fā)表了《一千個(gè)新星云和星團(tuán)表》，除了梅西葉和其他人已列出的以外，還收錄了他本人的全部新發(fā)現(xiàn)。在所有這些繁重的工作中，威廉都得到了卡羅琳的全力幫助。移居達(dá)切特后，卡羅琳便完全從事天文工作了。威廉親自教她觀測(cè)，并給她一具小望遠(yuǎn)鏡去搜索彗星。) y$ r2 [. s2 j# ? 1786年4月，威廉移居溫莎以北不遠(yuǎn)的白金漢郡斯勞。在這里，他造出一架口徑達(dá)1.22米、焦距達(dá)12.2米的大型反射望遠(yuǎn)鏡。它是18世紀(jì)天文望遠(yuǎn)鏡的頂峰，一時(shí)間成了備受推崇的珍奇，喬治三世和外國(guó)的天文學(xué)家時(shí)常會(huì)來瞻仰。威廉將國(guó)王給他的津貼，全部用于維護(hù)望遠(yuǎn)鏡以及支付工人的工資。他的經(jīng)濟(jì)狀況依然拮據(jù)，有一段時(shí)間不得不繼續(xù)制作和出售望遠(yuǎn)鏡。直到1788年，他50歲時(shí)娶了一位有錢的寡婦，情況方始徹底改觀。 , {& q( q" ^: l' M$ @; ^ a 卓越的成就 ( N) s8 J ~9 w: S# I/ O% z 對(duì)一架望遠(yuǎn)鏡而言，凡是由于光線不能嚴(yán)格地會(huì)聚于一個(gè)焦點(diǎn)而造成的各種缺陷，包括色差在內(nèi)，都統(tǒng)稱為“像差”。無論是折射鏡還是反射鏡，它們的表面最容易磨制成球面；而即使是同一種顏色的光線，經(jīng)球面折射或反射后，也不可能全都聚集到一個(gè)嚴(yán)格的焦點(diǎn)上。這種像差稱為“球差”。此外，還有彗差、像散等等。 & X9 t8 J# b5 a" u 早期使用折射望遠(yuǎn)鏡的人意識(shí)到，為了盡量減小像差，就應(yīng)該采用表面彎曲程度非常小的透鏡。它們使光線產(chǎn)生的彎折非常小。但是，要使這些稍微彎曲的光線會(huì)聚到焦點(diǎn)，就必須經(jīng)過很長(zhǎng)很長(zhǎng)的距離。0 G0 ^, W; K0 d8 r6 ] 例如，在赫歇爾之前一個(gè)多世紀(jì)，第一代卡西尼在巴黎天文臺(tái)建造了一些長(zhǎng)鏡身的折射望遠(yuǎn)鏡，最后一架的長(zhǎng)度超過了40米！世界戲劇史上的重量級(jí)人物、年長(zhǎng)卡西尼3歲的法國(guó)喜劇作家莫里哀把這些儀器稱為“大得駭人的望遠(yuǎn)鏡”。在荷蘭，惠更斯也制造了一系列鏡身越來越長(zhǎng)的望遠(yuǎn)鏡，最后一架長(zhǎng)達(dá)37米。他的成就鼓舞了但澤的赫韋留斯，后者于1673年造出一架長(zhǎng)達(dá)46米的折射望遠(yuǎn)鏡。 . x w+ F5 `: O6 U- v 如此之長(zhǎng)的金屬鏡筒必將重得根本無法操縱，所以赫韋留斯改用木頭來固定透鏡的位置?；莞箘t干脆省去了鏡筒，他把物鏡裝入一根短金屬管，然后接到一根高高的桿子上，并可以從地面上操縱。目鏡裝在另一根小管子里，置于一個(gè)木支架上。目鏡和物鏡之間有一段繩，拉緊時(shí)可使兩者對(duì)準(zhǔn)。這種長(zhǎng)鏡身望遠(yuǎn)鏡使用起來很不方便，但是在更好的替代品問世之前，天文學(xué)家們還得依靠它們繼續(xù)奮戰(zhàn)。 8 [& ?' Z, R% O. _9 k- z2 C 幸好，在折射望遠(yuǎn)鏡中，借助于不同玻璃制成的兩塊透鏡的巧妙配合，既可以消除色差，還能同時(shí)消除球差。在反射望遠(yuǎn)鏡中，恰當(dāng)?shù)馗淖兏辩R鏡面的形狀，同樣也可以消除球差。因此，自從消色差透鏡的秘密公開后，長(zhǎng)鏡身的折射望遠(yuǎn)鏡便壽終正寢了。" k) s) L* Q/ x: H 赫歇爾利用他那些反射望遠(yuǎn)鏡對(duì)太陽系進(jìn)行廣泛的研究。1787年，他發(fā)現(xiàn)了天王星的2顆衛(wèi)星，后來分別稱為天衛(wèi)三和天衛(wèi)四。1789年，他將那架1.22米望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)土星，當(dāng)晚就發(fā)現(xiàn)了土星的2顆新衛(wèi)星——土衛(wèi)一和土衛(wèi)二。同年，他發(fā)表了《又一千個(gè)新星云和星團(tuán)表》。 " w% x; C- h( i5 K; Y \ 移居斯勞后，卡羅琳?赫歇爾先后發(fā)現(xiàn)了8顆新彗星。其中1795年那顆就是著名的恩克彗星，德國(guó)天文學(xué)家恩克于1819年計(jì)算出它的軌道，證明其運(yùn)行周期僅為3.4年。它是人們發(fā)現(xiàn)的第一顆短周期彗星，也是繼哈雷彗星之后第二顆被預(yù)言回歸的彗星。9 O, i: ?9 s3 U$ c 1801年，威廉?赫歇爾在拿破侖戰(zhàn)爭(zhēng)的一個(gè)短暫間歇期訪問了巴黎，會(huì)見了拿破侖本人。他發(fā)覺拿破侖有時(shí)會(huì)不懂裝懂，故對(duì)其印象不佳。1802年，威廉發(fā)表了他的又一份星云星團(tuán)表。1819年，81歲的他進(jìn)行了最后一次天文觀測(cè)。1821年，他被選為英國(guó)天文學(xué)會(huì)(后來變成皇家天文學(xué)會(huì))的第一任主席。1822年8月25日，84歲的威廉在斯勞與世長(zhǎng)辭。他是歷史上最偉大而全能的天文學(xué)家之一。 0 z6 E5 I6 s/ O+ W! e |
| 牛頓望遠(yuǎn)鏡 折射望遠(yuǎn)鏡的巔峰# Q, J5 ?8 j3 m' ~' L 折射望遠(yuǎn)鏡曾經(jīng)為天文學(xué)帶來了眾多的新發(fā)現(xiàn)。對(duì)此，我們可以再次從伽利略說起。1610年，伽利略從望遠(yuǎn)鏡中看到，土星兩側(cè)仿佛各有一個(gè)附屬物。他想，也許它們是土星的衛(wèi)星吧？然而，日復(fù)一日，這兩個(gè)附屬物卻越縮越小，兩年后，竟然完全消失不見了。更使伽利略大惑不解的是，1616年，那些奇怪的附屬物又在他的望遠(yuǎn)鏡中出現(xiàn)了。這位科學(xué)老人終其一生也沒弄明白那究竟是什么東西。2 D7 Q. d3 C7 Z' e2 Q; r 1629年在海牙出生的惠更斯熱衷于研磨透鏡，并得到猶太裔的荷蘭著名哲學(xué)家、技藝高超的磨鏡行家斯賓諾莎的幫助?；莞沟耐h(yuǎn)鏡遠(yuǎn)勝于伽利略的那些，這使他在1656年終于看清，那些奇怪的附屬物原來是環(huán)繞土星的一圈光環(huán)?；莞拐_地解釋了土星光環(huán)形狀不斷變化的原因：它以不同的角度朝向我們，當(dāng)我們朝它的側(cè)邊看去時(shí)，薄薄的光環(huán)便仿佛消失不見了。 * h5 a/ Y: V( a, k6 u 1655年3月25日，惠更斯發(fā)現(xiàn)了土星的第一顆衛(wèi)星，它被命名為泰坦。泰坦是一個(gè)巨人神族。他們都是天神和地神的孩子，每個(gè)成員又各有自己的名字。后來，新發(fā)現(xiàn)的土衛(wèi)越來越多了，泰坦被編號(hào)為土衛(wèi)六。它是一顆巨大的衛(wèi)星，每16天就繞土星轉(zhuǎn)一圈。今天我們知道，其大氣組成成分與地球大氣相仿。, p' s9 g5 t9 } G6 D 然后，卡西尼于1671年10月發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)八，1672年12月發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)五，1684年3月又發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)三和土衛(wèi)四。1675年，卡西尼發(fā)現(xiàn)土星光環(huán)中有一道又細(xì)又暗的縫隙，后來稱為卡西尼環(huán)縫。環(huán)縫外側(cè)的那部分光環(huán)叫做A環(huán)，環(huán)縫里側(cè)的部分則叫B環(huán)。1837年，恩克又發(fā)現(xiàn)A環(huán)內(nèi)部還有一道縫隙，后來稱為恩克環(huán)。* w" B' ~" E- D8 u 1898年，美國(guó)天文學(xué)家威廉?亨利?皮克林發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)九。它到土星的距離遠(yuǎn)達(dá)1300萬千米，為月球到地球距離的33倍有余。它是19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的最后一顆衛(wèi)星，也是人們使用照相方法發(fā)現(xiàn)的第一顆衛(wèi)星。, g1 _" b4 H% i S" x 19世紀(jì)初，年輕的德國(guó)光學(xué)家夫瑯和費(fèi)制成一塊直徑24厘米的優(yōu)質(zhì)透鏡，用它造出了當(dāng)時(shí)世界上最大最好的折射望遠(yuǎn)鏡。望遠(yuǎn)鏡裝在一根軸上，使之可以俯仰；軸又裝在一個(gè)輪子上，使之可沿水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)。夫瑯和費(fèi)為它設(shè)計(jì)的平衡裝置非常精妙，以至于用一個(gè)手指就可以推動(dòng)這架鏡身長(zhǎng)4.3米的折射鏡。" \- N5 s( a5 G/ K2 _ 也是在19世紀(jì)上半期，一個(gè)只有幾十年歷史的新興國(guó)家——美國(guó)加入了天文望遠(yuǎn)鏡的競(jìng)賽。一位鐘表匠威廉?克蘭奇?邦德自學(xué)成材，于1847年被任命為哈佛學(xué)院天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)。他是天體照相技術(shù)的先驅(qū)，致力于將天體的像聚焦到照相底片上，而不是聚焦在眼睛的視網(wǎng)膜上。1849年12月18日，他用一架公眾捐款建造的38厘米折射望遠(yuǎn)鏡，拍攝了月球照片。在20分鐘曝光期間，望遠(yuǎn)鏡靠鐘表機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，始終對(duì)準(zhǔn)月球。這張照片太逼真了！他的兒子喬治?菲利普斯?邦德把它帶到在倫敦“水晶宮”舉辦的第一屆萬國(guó)博覽會(huì)上，引起了巨大的轟動(dòng)。/ \+ i- S5 x0 i( }& P 以肖像畫為業(yè)的美國(guó)人阿爾萬?克拉克渴望磨制透鏡。他仔細(xì)考察了邦德那架38厘米的折射鏡，并檢測(cè)了它與理想狀況的微小偏離。然后，他關(guān)閉畫室，潛心研究怎樣才能磨制出比它更好的透鏡。后來，他在兒子阿爾萬?格雷厄姆?克拉克的幫助下開了一家工廠。1870年，克拉克父子接下美國(guó)海軍天文臺(tái)建造66厘米折射望遠(yuǎn)鏡的定單。它的透鏡重達(dá)45千克，鏡身長(zhǎng)13米，質(zhì)量極佳。 & z3 k) _: t7 n 美國(guó)金融家利克在1849年加利福尼亞黃金熱期間，在不動(dòng)產(chǎn)方面賺了不少錢。他渴望為自己樹碑立傳，便于1874年宣稱，將留下70萬美元——這在當(dāng)時(shí)遠(yuǎn)比現(xiàn)在值錢得多，用來建造一架比當(dāng)時(shí)所有的天文望遠(yuǎn)鏡都更大更好的望遠(yuǎn)鏡。工作主要由小克拉克承擔(dān)，14年后，一塊口徑91厘米的透鏡終于制成，并裝入長(zhǎng)18.3米的鏡筒。這架折射望遠(yuǎn)鏡被命名為利克望遠(yuǎn)鏡，于1888年1月3日正式啟用。利克幾年前就去世了，根據(jù)他臨終時(shí)的要求，他的遺體埋在安裝望遠(yuǎn)鏡的基墩里。它所在的那個(gè)天文臺(tái)坐落于加利福尼亞州北部圣何塞以東21千米的漢密爾頓山上，被命名為利克天文臺(tái)。 5 N! f. O6 |1 f' _; C 1892年，天文學(xué)家巴納德使用利克望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了木星的第五顆衛(wèi)星，即木衛(wèi)五。它的直徑只有110千米，還不及北京到天津那么長(zhǎng)。木衛(wèi)五離木星表面僅108000千米。發(fā)現(xiàn)這樣又小又暗的天體——況且它又如此接近木星本身占?jí)旱箖?yōu)勢(shì)的光輝，必須擁有極好的透鏡和極敏銳的眼睛，巴納德很幸運(yùn)地兩者兼?zhèn)淞?。木衛(wèi)五是用眼睛發(fā)現(xiàn)的最后一個(gè)太陽系天體。此后，這類發(fā)現(xiàn)就要?dú)w功于望遠(yuǎn)鏡上的照相設(shè)備以及空間時(shí)代更新穎的技術(shù)了。4 W8 j# x2 r: Q- y v- j3 X 南加利福尼亞大學(xué)想要擁有一架比利克望遠(yuǎn)鏡更好的折射望遠(yuǎn)鏡，遂向克拉克訂購一塊102厘米的透鏡。但是，在克拉克為此投入2萬美元之后，這所大學(xué)卻無法籌齊所需的資金。幸好，天文學(xué)家喬治?埃勒里?海爾這時(shí)前來解圍了。2 x& `# p9 ~- |9 l, {; E 當(dāng)時(shí)，海爾才20多歲，是芝加哥大學(xué)天體物理學(xué)助理教授。他獲悉金融家查爾斯?葉凱士控制了整個(gè)芝加哥的交通，用不甚正當(dāng)?shù)氖侄钨嵉昧司揞~錢財(cái)。為什么不想法把這種不義之財(cái)用來發(fā)展科學(xué)呢？于是，從1892年起，海爾就盯上了葉凱士這個(gè)獵物。$ r' C% [+ k* u: [9 _ 海爾生于1868年6月29日，從小愛讀文學(xué)名著和詩。他意志堅(jiān)強(qiáng)又嫻于辭令，在他的不斷游說下，葉凱士不由得把錢一點(diǎn)一點(diǎn)地掏出了腰包。最后這位金融家為新望遠(yuǎn)鏡和安裝它的新天文臺(tái)提供的款項(xiàng)總額達(dá)到了349000美元。這個(gè)數(shù)字的實(shí)際價(jià)值要比今天高得多！1 S: E% E1 T( k7 {0 s! @% \' m. @ 海爾在芝加哥西北約130千米處選了一個(gè)地點(diǎn)，葉凱士天文臺(tái)就建在那里。1895年10月，年逾花甲的小克拉克為海爾磨好了102厘米的透鏡，它重達(dá)230千克，裝在一架長(zhǎng)逾18米的望遠(yuǎn)鏡里。整個(gè)望遠(yuǎn)鏡重達(dá)18噸，但是平衡極佳，用很小的推力就可以讓它轉(zhuǎn)動(dòng)并瞄準(zhǔn)天空的任何部分。: ~* k0 ?5 k) l- K% w+ o 1897年5月21日，這架折射望遠(yuǎn)鏡首次啟用。小克拉克在目睹折射望遠(yuǎn)鏡的這一輝煌勝利之后三個(gè)星期去世了。今天，葉凱士望遠(yuǎn)鏡和利克望遠(yuǎn)鏡依然在世界上保持著折射望遠(yuǎn)鏡的冠軍和亞軍稱號(hào)。1 N: I( H6 O2 Y# m5 S( h 事實(shí)上，折射望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)達(dá)到它的巔峰，它的路也走到了盡頭。首先，極難得到可供制造透鏡的尺寸很大而又完美無暇的光學(xué)玻璃。整個(gè)19世紀(jì)和20世紀(jì)的技術(shù)進(jìn)展，并未使造出一塊足以超越葉凱士折射望遠(yuǎn)鏡的透鏡玻璃變得更容易些。其次，因?yàn)楣饩€必須透過整塊玻璃，所以透鏡只能在邊緣上支承。巨型透鏡分量很重，得不到支撐的透鏡中央部分就會(huì)往下凹陷，整塊透鏡就會(huì)變形。透鏡的尺寸越大，問題也就越嚴(yán)重。 ' Z. o# f7 K, m F @/ P 那么，另一方面，反射望遠(yuǎn)鏡的情形又如何呢？: L& c, q" Q+ n% r. d6 I 從“列維亞森”到帕洛馬山( a% M8 H7 ?0 r2 y “列維亞森”的時(shí)代 3 s k9 g3 w- h* r3 J 威廉.赫歇爾的金屬鏡面大型反射望遠(yuǎn)鏡尚“健在”時(shí)，就有人決心要在這方面超過他，后者就是愛爾蘭人威廉?帕森斯。$ w! u8 Q5 X/ d: t+ w2 t 威廉?帕森斯1800年6月17日生于英國(guó)的約克，1841年，他子襲父位，成為第三代羅斯伯爵，后世天文學(xué)家普遍稱他為羅斯。1845年，愛爾蘭將他選進(jìn)上議院。他是一位真正的貴族，在著名天文學(xué)家中，出自如此“高貴門第”的人為數(shù)極少。 , W& v! W6 u& {) K( G 羅斯的最大嗜好，就是建造世界上最大的望遠(yuǎn)鏡。他有足夠的金錢，有充裕的時(shí)間，有必要的技術(shù)知識(shí)，還可以訓(xùn)練佃戶來干活。他將望遠(yuǎn)鏡安置在自家的領(lǐng)地上，那里的地名叫比爾，幾乎位于愛爾蘭島的正中央。遺憾的是，當(dāng)?shù)貧夂虿患?，故?duì)天文觀測(cè)很不相宜。6 Q: r" V3 K$ b 羅斯花了5年時(shí)間，才研究出一種適合制造反射鏡的銅錫合金。他從1827年開始，先造了一面直徑38厘米的反射鏡，接著又造了直徑61厘米的，1840年又造出一面91厘米的反射鏡。1842年，羅斯開始鑄造一塊直徑1.84米的反射鏡，它的面積是赫歇爾那架最大的望遠(yuǎn)鏡的2.25倍。那年4月13日，反射鏡鑄成，然后緩慢地冷卻了16個(gè)星期。鏡面磨好后，剛要裝到望遠(yuǎn)鏡上就開裂了。羅斯只好重新鑄造，直到第五次才大功告成。, H& _; a- Z# c! t1 J 這架望遠(yuǎn)鏡的鏡筒用厚木板制成，并用鐵箍加固。鏡筒長(zhǎng)17米，直徑2.4米。為了擋風(fēng)，鏡筒安置在兩道高墻之間。每道墻高17米，長(zhǎng)22米，沿南北走向，因此望遠(yuǎn)鏡基本上只能沿南北方向觀測(cè)，在東西方向最多只能偏轉(zhuǎn)15o。7 _. H F: y9 p3 F5 }: i 這塊反射鏡重達(dá)3.6噸，把它裝進(jìn)鏡筒很不容易，直到1845年2月才能測(cè)試和使用。為了與赫歇爾一比高下，羅斯觀測(cè)了赫歇爾曾經(jīng)研究過的各種星云。他發(fā)現(xiàn)梅西葉表中的M51看上去像是旋渦狀的，遂使人們?cè)?845年知道了第一個(gè)“旋渦星云”。1848年，羅斯發(fā)現(xiàn)梅西葉表中的頭號(hào)天體M1內(nèi)部貫穿著許多不規(guī)則的明亮細(xì)線。羅斯覺得它很像一只螃蟹，故稱其為“蟹狀星云”，這個(gè)名字一直沿用至今。日后的事實(shí)證明，這兩項(xiàng)發(fā)現(xiàn)都具有頭等重要的意義。 $ r# ], T* O5 p! i3 A 羅斯這架巨大的望遠(yuǎn)鏡，通常以“列維亞森”(Leviathan)著稱。“列維亞森”原是《圣經(jīng)?舊約》中描述的一種海怪，中文版《圣經(jīng)》將它譯為“鱷魚”。它鱗甲堅(jiān)固，牙齒可畏，鼻孔冒煙，刀槍不入，力大無窮；它視鐵為干草、銅為爛木，實(shí)為水族之王。后來，英語中就用“列維亞森”來稱呼那些龐然大物，例如巨型輪船、強(qiáng)大的國(guó)家或極有權(quán)勢(shì)的人。, a- ?. r$ k, v. h( u 英國(guó)釀酒師拉塞爾也想建造大的反射望遠(yuǎn)鏡，就在1844年參觀了羅斯的領(lǐng)地，考察“列維亞森”是如何制造的。拉塞爾造了一架口徑61厘米的望遠(yuǎn)鏡，繼而又造了一架1.22米的反射望遠(yuǎn)鏡。他的鏡子不如羅斯的那么大，但在另外兩方面卻超過了羅斯。 7 D( e v! ?0 z1 e 首先，拉塞爾率先把夫瑯和費(fèi)裝在折射望遠(yuǎn)鏡上的那種裝置用到了反射望遠(yuǎn)鏡上，從而使操作變得非常方便。此外，他強(qiáng)烈地意識(shí)到，天文臺(tái)必須建造在大氣條件適宜觀測(cè)的地方，于是把自己的儀器運(yùn)到當(dāng)時(shí)的英國(guó)屬地馬耳他島。 1 U/ W9 y/ |" k1 ?9 K' A 羅斯的“列維亞森”存在了60年，它老了，變得搖搖晃晃。1908年，他的一個(gè)孫子把它卸了下來。它沒有做出太多的天文發(fā)現(xiàn)，但為它的制造者增添了生活樂趣。 4 q7 d/ i' \! r 海爾的杰作3 f; F2 }) F9 i `* `" T1 f6 |! C4 J5 H1 F 金屬鏡面很重，價(jià)格昂貴，易于腐蝕，而且隨環(huán)境溫度變化還會(huì)顯著變形。于是人們又想到了玻璃，它的重量比較輕，價(jià)格低廉，耐腐蝕，比金屬更容易研磨成形，經(jīng)過拋光可以變得非常光潔。但問題在于玻璃很透明，怎樣用它來制造反射鏡呢？ - p0 ^ Y5 h7 u: ]+ ?! |" n0 s, Q; ?$ X+ f: c 人們發(fā)明了在玻璃上鍍銀的方法。沉積在玻璃上的銀膜很牢固，可以輕輕地拋光，從而可以高效地反射光線。20世紀(jì)初葉，鍍鋁技術(shù)取代了鍍銀。鋁膜可以將落到它上面的光反射82%，新鍍的銀膜卻只能反射65%。. U* C) n0 l" a: z: q( ` + D! g3 Q' g7 V8 O \- F 1908年，海爾建成一架口徑153厘米的反射望遠(yuǎn)鏡。當(dāng)然，其鏡面是玻璃的。它安裝在加利福尼亞州帕薩迪納附近的威爾遜山天文臺(tái)上。該臺(tái)于1905年落成，海爾親任臺(tái)長(zhǎng)。 ) U8 b$ c6 _, q $ Q0 `) i; ?! Q 在此之前，海爾已經(jīng)說服一位洛杉磯商人胡克投資建造一架口徑212厘米的大型反射望遠(yuǎn)鏡。胡克急于將自己的名字與世界上最大的望遠(yuǎn)鏡聯(lián)系在一起，并且不希望很快就被別人超過，所以甚至主動(dòng)增加了贈(zèng)款，希望將望遠(yuǎn)鏡的口徑增大到254厘米，即恰好100英寸。 % d y' |. S0 o' R( z - n* e- i9 v9 @0 Q3 M4 Y 第一次世界大戰(zhàn)延誤了計(jì)劃，但后來總算順利。這架望遠(yuǎn)鏡全重達(dá)90噸，于1917年11月啟用。它操作方便，能以很高的精度跟蹤恒星。長(zhǎng)達(dá)30年之久，它一直是世界上的反射望遠(yuǎn)鏡之王，并為天文學(xué)作出了卓越的貢獻(xiàn)。 7 u9 O' A+ o Q0 d r+ P, |9 ^8 E7 p2 K: T- f- ~: k 1923年，海爾因身體欠佳退休了。隨著帕薩迪納、尤其是洛杉磯的迅速發(fā)展，夜晚的城市燈光嚴(yán)重地威脅著威爾遜山的天文觀測(cè)。“退休”的海爾又到威爾遜山東南約145千米處另覓了一處臺(tái)址，它在帕洛馬山上，當(dāng)時(shí)人類尚未開發(fā)這塊處女地。他決定在那兒建一架口徑508厘米(200英寸)的反射望遠(yuǎn)鏡，1929年從洛克菲勒基金會(huì)獲得一筆款子，他便著手干了起來。 # L+ B) l# }' h, x$ u$ P9 i Z* |9 w! I n/ b; W2 ? 人們?yōu)檫@項(xiàng)浩大的工程付出了史詩般的巨大努力。508厘米的反射鏡比先前任何望遠(yuǎn)鏡使用的鏡子更大、更厚、也更重。在這么一大塊玻璃中，即使很小的溫度變化也會(huì)因膨脹或收縮而影響反射鏡面的精度。為此，整塊玻璃的背面澆鑄成了蜂窩狀，這使鏡子的重量比一個(gè)矮胖的實(shí)心圓柱減小了一半以上；這種結(jié)構(gòu)使整塊反射鏡內(nèi)的任何一點(diǎn)離玻璃表面都不超過5厘米，溫度變化將較為迅速地在整塊玻璃中達(dá)到均衡。澆鑄好的玻璃毛坯，在嚴(yán)格的溫度控制下花了10個(gè)月時(shí)間慢慢地冷卻；在冷卻過程中，附近河流泛濫，鏡坯死里逃生，而且它還經(jīng)受了一次輕微地震的考驗(yàn)。鏡坯是在紐約州的康寧玻璃廠生產(chǎn)的，它必須橫越整個(gè)美國(guó)，運(yùn)到加利福尼亞的帕洛馬山；為了穩(wěn)妥起見，火車晝行夜宿，時(shí)速從不超過40千米；它走的是一條專線，以減少遇上橋梁和隧道的麻煩。這塊玻璃連同它的裝箱，寬度顯著地超出5米，經(jīng)過不少地方時(shí)，允許通行的空間往往只剩下了區(qū)區(qū)幾厘米。接下來是長(zhǎng)時(shí)間的研磨和拋光，總共用掉了31噸磨料。最后成型時(shí)，反射鏡本身重達(dá)14.5噸，鏡筒重140噸，整個(gè)望遠(yuǎn)鏡的可動(dòng)部分竟重達(dá)530噸！/ ?; n2 t1 K- L: \/ } / @$ M1 d0 h8 n8 N- C7 w1 E. |1 F7 a 海爾于1938年2月21日在帕薩迪納與世長(zhǎng)辭，未能目睹這架望遠(yuǎn)鏡竣工。1948年6月3日，人們終于為這具碩大無朋的儀器舉行了落成典禮。后來，人們?cè)谂谅羼R山天文臺(tái)的門廳中塑了一座海爾半身像，銅牌上寫著： $ E- ?1 ~5 W. _+ g0 o; _2 z& _& i* l: K' s) q “這架200英寸望遠(yuǎn)鏡以喬治?埃勒里?海爾命名，他的遠(yuǎn)見卓識(shí)和親自領(lǐng)導(dǎo)使之變成了現(xiàn)實(shí)。” 3 h$ o) o4 u! [/ z) {# G 1 H- b5 S; L; l. g2 K 1969年12月，威爾遜山和帕洛馬山兩座天文臺(tái)重新命名，統(tǒng)稱為海爾天文臺(tái)。 / I( g2 @4 ?. r H$ K$ @ - w& ]. ~) H9 t* J* X5 Q 全新的思路* s* K9 x) X0 E! g. U: p0 p 9 R% G# d' C( I! ~' G6 j 天文望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，收集到的光就越多，就能探測(cè)到越遠(yuǎn)越暗的天體。與此同時(shí)，一架望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，分辨細(xì)節(jié)的本領(lǐng)也就越高。這對(duì)天文觀測(cè)來說，同樣至關(guān)重要。 ) d7 [+ J+ h: ~9 f4 O ! l4 M' y6 `3 X0 }3 q 不過，大也有大的難處。大型反射望遠(yuǎn)鏡僅僅對(duì)它直接指向的那一小塊天空，才能形成優(yōu)質(zhì)的星像，才能拍下極其清晰的照片。在這一小塊天空以外，拍攝的照片都將因失真太大而無法使用。通常，望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，每次能夠高精度地進(jìn)行觀測(cè)的天空范圍也就越小。例如，用威爾遜山上那架口徑254厘米的胡克望遠(yuǎn)鏡，每次只能觀測(cè)像滿月那么大小的一塊天空。海爾望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)甚至比這更小。如果用大型反射望遠(yuǎn)鏡拍攝星空，每次一小塊一小塊地拼起來，直到覆蓋整個(gè)天空，那就需要拍攝幾十萬甚至幾百萬次。大望遠(yuǎn)鏡的這一弱點(diǎn)，使它們難以勝任“巡天”觀測(cè)。) }! h' o, T4 Q3 X* q9 _* }/ O # q$ x0 N5 U) W, I/ ]5 f$ T 那么，“巡天”究竟是什么意思呢？ ( u1 X6 Q+ t& h- n * B# r1 P J( r. |& c" ^ 天文學(xué)上最普遍的“巡天”，相當(dāng)于對(duì)天體進(jìn)行“戶口普查”，它為大量天文研究工作提供最基本的素材。正如普查人口之后，就可以根據(jù)不同的特征——性別、民族、年齡等，對(duì)“人”進(jìn)行分門別類的統(tǒng)計(jì)研究那樣，對(duì)天體進(jìn)行“戶口普查”后也可以根據(jù)不同的特征——亮度、距離、光譜類型等，對(duì)它們進(jìn)行分門別類的統(tǒng)計(jì)研究。; @& B1 p: x1 |' u& Z& o - X. u m+ ?3 y8 ?3 b- ^; { 要想在不太長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)完成一次天體的“戶口普查”，望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)就不能太小，因而其口徑就不能太大。另一方面，為了看清很暗的天體，望遠(yuǎn)鏡又必須足夠地大。這兩者是有矛盾的。那么，有沒有可能“魚與熊掌得兼”，造出一種口徑既大、視場(chǎng)也大的新型天文望遠(yuǎn)鏡呢？" L3 M& M8 A6 {2 E E! K3 t 9 T# J; u2 s$ R" u4 D 早在20世紀(jì)20年代，旅德俄國(guó)光學(xué)家施密特就開始朝這個(gè)方向邁出了第一步。施密特生于1879年3月30日，他接受的正規(guī)教育十分有限，但自學(xué)光學(xué)很有成績(jī)。施密特早年就喜歡做實(shí)驗(yàn)，并為此付出了高昂的代價(jià)。他把火藥塞進(jìn)一根鋼管，然后點(diǎn)燃它，爆炸效果令人滿意，但是卻炸掉了他的右手和右前臂。后來，他不得不用一條胳膊來研磨他的透鏡和反射鏡。 $ p8 j) K& d: W , G3 z) M# M3 n 施密特想出一種同時(shí)使用反射鏡和透鏡的方案。1930年，他研制成功第一架“折反射望遠(yuǎn)鏡”：用球面反射鏡作為主鏡，在它的球心處安放一塊“改正透鏡”。改正透鏡的形狀特殊，中間最厚，邊緣較薄，最薄的地方則介于中間與邊緣之間。改正透鏡設(shè)計(jì)得使透過它的光線經(jīng)過折射以后恰好能彌補(bǔ)反射鏡引起的球差，同時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生明顯的色差和其他像差。這就是所謂的“施密特望遠(yuǎn)鏡”，它使望遠(yuǎn)鏡的有效視場(chǎng)增大了許多。世界上最大的施密特望遠(yuǎn)鏡安裝在德國(guó)的陶登堡天文臺(tái)，其主鏡和改正透鏡的口徑分別為2.03米和1.34米。 3 {% Q! K( |" y! V: g$ c* M, l) G# x! y: S0 R4 ]; Z 施密特望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)寬闊，使它在“巡天”工作中起到了無可替代的巨大作用。例如，美國(guó)的帕洛馬山天文臺(tái)，以及位于澳大利亞的英澳賽丁泉天文臺(tái)各用一架主鏡口徑1.22米的施密特望遠(yuǎn)鏡巡天，記錄了全天約10億個(gè)天體的位置、形狀等信息。 5 Q6 F% o, d1 e( Y. | 8 _6 D- b; @( Z# ]% X% _ 施密特望遠(yuǎn)鏡使用了透鏡，這使它也像折射望遠(yuǎn)鏡那樣不可能做得太大。那么，能不能用一塊“改正反射鏡”來代替“改正透鏡”呢？! c* R2 M+ R. Q6 E ~, ~' @) Q& x$ ^ 如何研制“反射式施密特望遠(yuǎn)鏡”，正是20世紀(jì)90年代以來國(guó)際天文界共同關(guān)心的問題。只有做到這一點(diǎn)，才能將整個(gè)望遠(yuǎn)鏡的口徑和視場(chǎng)同時(shí)做得很大。我國(guó)天文學(xué)家在這方面的研究處于比較先進(jìn)的地位。預(yù)期在2010年前，反射式施密特望遠(yuǎn)鏡就將成為現(xiàn)實(shí)。 3 A4 s, {( Z6 \" @4 ]* J1 t. G) Z; L; j$ H 在一架施密特望遠(yuǎn)鏡拍攝的單張底片上，所包含的星像可多達(dá)上百萬顆。如果在某張底片上發(fā)現(xiàn)了什么特別有趣或者可疑的東西，這時(shí)就該進(jìn)而利用巨型反射望遠(yuǎn)鏡來更加精細(xì)地考察它們了。 1 y _: q! \# `* y7 |0 ?6 | T( @$ g/ ?2 q! t. @ 因此，即使有了施密特望遠(yuǎn)鏡，我們也還需要越來越大的反射望遠(yuǎn)鏡。但是，不少科學(xué)家認(rèn)為，材料、設(shè)計(jì)、工藝、結(jié)構(gòu)等多方面的重重困難，似乎已經(jīng)使制造更大的反射望遠(yuǎn)鏡成了鏡花水月。例如，制造大塊光學(xué)玻璃本身就是一大難題，而且它只要有極微小——例如溫度變化所致——的形變，就會(huì)使星像變得模糊，從而使望遠(yuǎn)鏡的威力大減。因此，海爾望遠(yuǎn)鏡在落成后的30年內(nèi)，始終仿佛鶴立雞群，沒有任何新的望遠(yuǎn)鏡可以與之媲美。1 a4 \% i& ]& }% q( Y ) O) R" | r3 [ 蘇聯(lián)人曾經(jīng)造出一架口徑6米的反射望遠(yuǎn)鏡，其鏡體重77噸，長(zhǎng)25米，整個(gè)可動(dòng)部分重達(dá)800噸。1976年，這架6米望遠(yuǎn)鏡終于竣工，可惜其性能并不盡如人意。' o [1 ^9 L. u: @# o& S: K/ S/ ~2 G }+ n& T& ^8 m# C, u3 ] 然而，人類的認(rèn)識(shí)能力和創(chuàng)造能力是無窮的，天文望遠(yuǎn)鏡的前景依然光明，關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)思想的革命。 現(xiàn)代大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡 望遠(yuǎn)鏡的集光能力隨著口徑的增大而增強(qiáng)，望遠(yuǎn)鏡的集光能力越強(qiáng)，就能夠看到更暗更遠(yuǎn)的天體，這其實(shí)就是能夠看到了更早期的宇宙。天體物理的發(fā)展需要更大口徑的望遠(yuǎn)鏡。 但是，隨著望遠(yuǎn)鏡口徑的增大，一系列的技術(shù)問題接踵而來。海爾望遠(yuǎn)鏡的鏡頭自重達(dá)14.5噸，可動(dòng)部分的重量為530噸，而6米鏡更是重達(dá)800噸。望遠(yuǎn)鏡的自重引起的鏡頭變形相當(dāng)可觀，溫度的不均勻使鏡面產(chǎn)生畸變也影響了成象質(zhì)量。從制造方面看，傳統(tǒng)方法制造望遠(yuǎn)鏡的費(fèi)用幾乎與口徑的平方或立方成正比，所以制造更大口徑的望遠(yuǎn)鏡必須另辟新徑。 自七十年代以來，在望遠(yuǎn)鏡的制造方面發(fā)展了許多新技術(shù)，涉及光學(xué)、力學(xué)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和精密機(jī)械等領(lǐng)域。這些技術(shù)使望遠(yuǎn)鏡的制造突破了鏡面口徑的局限，并且降低造價(jià)和簡(jiǎn)化望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)。特別是主動(dòng)光學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，使望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)思想有了一個(gè)飛躍。 從八十年代開始，國(guó)際上掀起了制造新一代大型望遠(yuǎn)鏡的熱潮。其中，歐洲南方天文臺(tái)的VLT，美、英、加合作的GEMINI，日本的SUBARU的主鏡采用了薄鏡面；美國(guó)的KeckI、KeckII和HET望遠(yuǎn)鏡的主鏡采用了拼接技術(shù)。 優(yōu)秀的傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡卡塞格林焦點(diǎn)在最好的工作狀態(tài)下，可以將80%的幾何光能集中在0″.6范圍內(nèi)，而采用新技術(shù)制造的新一代大型望遠(yuǎn)鏡可保持80％的光能集中在0″.2~0″.4，甚至更好。 下面對(duì)幾個(gè)有代表性的大型望遠(yuǎn)鏡分別作一些介紹： 金都天文望遠(yuǎn)鏡 凱克望遠(yuǎn)鏡（KeckI，KeckII） KeckI和KeckII分別在1991年和1996年建成，這是當(dāng)前世界上已投入工作的最大口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，因其經(jīng)費(fèi)主要由企業(yè)家凱克（KeckWM）捐贈(zèng)（KeckI為9400萬美元，KeckII為7460萬美元）而命名。這兩臺(tái)完全相同的望遠(yuǎn)鏡都放置在夏威夷的莫納克亞，將它們放在一起是為了做干涉觀測(cè)。 它們的口徑都是10米，由36塊六角鏡面拼接組成，每塊鏡面口徑均為1.8米，而厚度僅為10厘米，通過主動(dòng)光學(xué)支撐系統(tǒng)，使鏡面保持極高的精度。焦面設(shè)備有三個(gè)：近紅外照相機(jī)、高分辨率CCD探測(cè)器和高色散光譜儀。 "象Keck這樣的大望遠(yuǎn)鏡，可以讓我們沿著時(shí)間的長(zhǎng)河，探尋宇宙的起源，Keck更是可以讓我們看到宇宙最初誕生的時(shí)刻"。 歐洲南方天文臺(tái)甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT） 歐洲南方天文臺(tái)自1986年開始研制由4臺(tái)8米口徑望遠(yuǎn)鏡組成一臺(tái)等效口徑為16米的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。這4臺(tái)8米望遠(yuǎn)鏡排列在一條直線上，它們均為RC光學(xué)系統(tǒng)，焦比是F/2，采用地平裝置，主鏡采用主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)支撐，指向精度為1″，跟蹤精度為0.05″，鏡筒重量為100噸，叉臂重量不到120噸。這4臺(tái)望遠(yuǎn)鏡可以組成一個(gè)干涉陣，做兩兩干涉觀測(cè)，也可以單獨(dú)使用每一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡。 現(xiàn)在已完成了其中的兩臺(tái)，預(yù)計(jì)于2000年可全部完成。 雙子望遠(yuǎn)鏡（GEMINI） 雙子望遠(yuǎn)鏡是以美國(guó)為主的一項(xiàng)國(guó)際設(shè)備（其中，美國(guó)占50％，英國(guó)占25％，加拿大占15％，智利占5％，阿根廷占2.5%，巴西占2.5%）,由美國(guó)大學(xué)天文聯(lián)盟（AURA）負(fù)責(zé)實(shí)施。它由兩個(gè)8米望遠(yuǎn)鏡組成，一個(gè)放在北半球，一個(gè)放在南半球，以進(jìn)行全天系統(tǒng)觀測(cè)。其主鏡采用主動(dòng)光學(xué)控制，副鏡作傾斜鏡快速改正，還將通過自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)使紅外區(qū)接近衍射極限。 該工程于1993年9月開始啟動(dòng)，第一臺(tái)在1998年7月在夏威夷開光，第二臺(tái)于2000年9月在智利賽拉帕瓊臺(tái)址開光，整個(gè)系統(tǒng)預(yù)計(jì)在2001年驗(yàn)收后正式投入使用。 昴星團(tuán)（日本）8米望遠(yuǎn)鏡（SUBARU） 這是一臺(tái)8米口徑的光學(xué)/紅外望遠(yuǎn)鏡。它有三個(gè)特點(diǎn)：一是鏡面薄，通過主動(dòng)光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)獲得較高的成象質(zhì)量；二是可實(shí)現(xiàn)0.1″的高精度跟蹤；三是采用圓柱形觀測(cè)室，自動(dòng)控制通風(fēng)和空氣過濾器，使熱湍流的排除達(dá)到最佳條件。此望遠(yuǎn)鏡采用Serrurier桁架，可使主鏡框與副鏡框在移動(dòng)中保持平行。 大天區(qū)多目標(biāo)光纖光譜望遠(yuǎn)鏡（LAMOST） 這是中國(guó)已建成的一架有效通光口徑為4米、焦距為20米、視場(chǎng)達(dá)20平方度的中星儀式的反射施密特望遠(yuǎn)鏡。它的技術(shù)特色是： 1．把主動(dòng)光學(xué)技術(shù)應(yīng)用在反射施密特系統(tǒng)，在跟蹤天體運(yùn)動(dòng)中作實(shí)時(shí)球差改正，實(shí)現(xiàn)大口徑和大視場(chǎng)兼?zhèn)涞墓δ堋?/span> 2．球面主鏡和反射鏡均采用拼接技術(shù)。 3．多目標(biāo)光纖（可達(dá)4000根，一般望遠(yuǎn)鏡只有600根）的光譜技術(shù)將是一個(gè)重要突破。 LAMOST把普測(cè)的星系極限星等推到20.5m，比SDSS計(jì)劃高2等左右，實(shí)現(xiàn)107個(gè)星系的光譜普測(cè)，把觀測(cè)目標(biāo)的數(shù)量提高1個(gè)量級(jí) 最大光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡 |
對(duì)于一架在太空中使用的性能絕佳的望遠(yuǎn)鏡來說，分辨率直接與口徑的倒數(shù)成正比。而像的角分辨率只受到衍射的限制——我們稱之為衍射極限。簡(jiǎn)單地解釋衍射，這是光本身的一種性質(zhì)。光線即具有粒子性，也具有波動(dòng)性，他的波動(dòng)性使得光線在經(jīng)過一些尺度比本身的波長(zhǎng)還小的物體或孔隙時(shí)會(huì)發(fā)生一些奇異的現(xiàn)象。比如來自點(diǎn)光源的光線在經(jīng)過小孔時(shí)，所成的其實(shí)并非一個(gè)嚴(yán)格的點(diǎn)，而是一個(gè)彌散面。這樣的彌散面決定了我們?cè)谟^測(cè)遙遠(yuǎn)的天體時(shí)受到了限制。這種限制是來自光的本身，如果排除所有一切其他的影響，這便是人們所能達(dá)到的最高分辨率了。
而對(duì)于在地面上使用的多少存在一些技術(shù)缺陷的望遠(yuǎn)鏡來說，觀測(cè)遠(yuǎn)達(dá)不到衍射極限的精度，大氣的影響和望遠(yuǎn)鏡的質(zhì)量問題都會(huì)扭曲從遙遠(yuǎn)天體傳來的光波，造成成像過程中的錯(cuò)誤。我們平時(shí)看星星的時(shí)候總是發(fā)現(xiàn)星星的亮度很不穩(wěn)定，一閃一閃地仿佛在向自己眨眼睛，那是因?yàn)榘鼑覀兊拇髿獠环€(wěn)定所產(chǎn)生的大氣湍流造成的。即使是在地球上最好的觀測(cè)地點(diǎn)，由于大氣湍流，地面上可見波段望遠(yuǎn)鏡的角分辨率都無法超過10～20cm口徑的望遠(yuǎn)鏡。對(duì)于一臺(tái)口徑四米的望遠(yuǎn)鏡來說，大氣湍流使望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)（這是和衍射極限相比的），同時(shí)星像中心的清晰度也降低了100多倍。為了避免大氣湍流的影響，人類發(fā)送了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡到太空進(jìn)行觀測(cè)。除了大氣湍流，像質(zhì)的好壞也受到工業(yè)技術(shù)問題以及由機(jī)械、溫度的影響。巨大的鏡子會(huì)在本身重力的作用下而變形，周圍溫度的變化也會(huì)使鏡面產(chǎn)生變形?？上攵R子的形變直接對(duì)成像產(chǎn)生了威脅。
（一）被動(dòng)光學(xué)
不久以前，天文望遠(yuǎn)鏡依然是一種“被動(dòng)”的儀器。沒有內(nèi)置的改正儀在觀測(cè)過程中主動(dòng)改善像質(zhì)，能夠進(jìn)行人工調(diào)整的時(shí)間是在白天或夜幕初垂時(shí)。
盡管大家公認(rèn)大氣擾動(dòng)所造成的影響無可避免，人們做了最大的機(jī)械上的改進(jìn)去修正望遠(yuǎn)鏡本身的錯(cuò)誤：光學(xué)玻璃的冷加工以及磨光技術(shù)均有了改進(jìn)；堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)和玻璃被用來消除由于重力造成的透鏡變形；人們采用了低膨脹系數(shù)的玻璃來消除溫度所造成的影響；為了消除當(dāng)?shù)販囟鹊挠绊?，發(fā)動(dòng)機(jī)和電子器件的熱耗散在夜晚被減到最小。對(duì)于這樣合理設(shè)計(jì)并被謹(jǐn)慎使用的中小型望遠(yuǎn)鏡來說，很多方面的不良影響都已經(jīng)被克服了，像質(zhì)主要受到大氣湍流的影響。
（二）主動(dòng)光學(xué)
隨著20世紀(jì)80年代新觀念的誕生（為了加強(qiáng)望遠(yuǎn)鏡的集光能力，主鏡的口徑最好在4m以上），很顯然，以上所述的傳統(tǒng)的人工維護(hù)像質(zhì)、防止透鏡因重力而變形的方法由于受到價(jià)格和結(jié)構(gòu)質(zhì)量的限制已經(jīng)不再適用。為了改善大中型望遠(yuǎn)鏡的像質(zhì)，主動(dòng)光學(xué)誕生了：一改過去在觀測(cè)前手工被動(dòng)地調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的作風(fēng)，人們采用了一種在觀測(cè)過程中實(shí)時(shí)自動(dòng)地用內(nèi)置光學(xué)修正部件調(diào)整像質(zhì)的方法：在望遠(yuǎn)鏡的主鏡背后安裝上百個(gè)促動(dòng)器，見下圖，在觀測(cè)過程中不斷地檢測(cè)鏡面因?yàn)橹亓ΑL(fēng)力、溫度等因素而發(fā)生的形變，然后通過促動(dòng)器來矯正鏡子的形狀從而彌補(bǔ)非期望的形變，將鏡面的形狀保持在最佳狀態(tài)上。這些修正部件工作在相對(duì)較低的頻率（≤0.05Hz）。第一架完整的主動(dòng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡——?dú)W洲南方天文臺(tái)（ESO）3.5m的新技術(shù)望遠(yuǎn)鏡（NTT），于1989年在智利的拉塞拉天文臺(tái)(La Silla)投入使用。著名的坐落在夏維夷蒙那亞克山（Mauna Kea, Hawaii）的10m凱克（Keck）望遠(yuǎn)鏡的核心，8.2m口徑的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）也采用主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)。
昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡背面的促動(dòng)器陣列（圖片版權(quán)：NAOJ）
（三）自適應(yīng)光學(xué)
自適應(yīng)光學(xué)的工作原理與主動(dòng)光學(xué)還是比較類似的。但不同的是，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)針對(duì)的是大氣湍流對(duì)成像的影響，而非改正重力和溫度造成的鏡面變形。從遙遠(yuǎn)的天體到達(dá)我們的光波波前經(jīng)過大氣湍流的作用產(chǎn)生了扭曲傾斜，自適應(yīng)光學(xué)依照大氣湍動(dòng)情況利用前面提到的促動(dòng)器調(diào)整反射鏡面形，以改正波前，而不是將鏡面形保持在最佳狀態(tài)上。早在1953年Horace Babcock就提出了自適應(yīng)光學(xué)，不過這一技術(shù)的大范圍運(yùn)用要等到計(jì)算機(jī)和光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)達(dá)后的20世紀(jì)90年代。和主動(dòng)光學(xué)技術(shù)比起來，這一技術(shù)之開發(fā)者的工作是令人畏懼的——想象來自遙遠(yuǎn)天體的光波穿越了20km的大氣湍流層，越過大型天文望遠(yuǎn)鏡，產(chǎn)生了幾微米的傾斜。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)必須通過分析有限的數(shù)據(jù)在每一短暫的毫秒內(nèi)做出新的修正，修正部件工作在相對(duì)主動(dòng)光學(xué)更高的頻率。自適應(yīng)光學(xué)的另一個(gè)復(fù)雜因素是：適用于自適應(yīng)光學(xué)的視場(chǎng)大小是相當(dāng)小的。
考慮到相對(duì)較寬的波段和極小的工作視場(chǎng)，自適應(yīng)光學(xué)對(duì)鏡面形狀的改正難以直接應(yīng)用于主鏡，而是采用了一塊直徑在8～20cm的小型可變形透鏡，這塊透鏡被安放在望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)后方（不過近期來采用大型可變形透鏡的可能性也越來越大了）。選擇用于矯正形變的促動(dòng)器數(shù)量必須綜合考慮各種因素以及可用預(yù)算。舉例來說，對(duì)一臺(tái)口徑８m的望遠(yuǎn)鏡在可見波段（比如0.6/265m）做出近乎完美的改正需要大約6400個(gè)促動(dòng)器，而相同的情況下在波長(zhǎng)為2/265m時(shí)只需要250個(gè)促動(dòng)器。
自適應(yīng)光學(xué)的控制系統(tǒng)是一臺(tái)專門的計(jì)算機(jī)，它通過分析由波前傳感器采集的數(shù)據(jù)來對(duì)透鏡的形狀做出修正，見下圖。分析必須在極短的時(shí)間內(nèi)完成（0.5～1ms內(nèi)），不然大氣情況的改變將使系統(tǒng)的改正因過時(shí)而錯(cuò)誤。
昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡的自適應(yīng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)（圖片版權(quán)：NAOJ）
1. 自然引導(dǎo)星
為了實(shí)時(shí)地做出改正，人們要選擇一顆足夠亮的引導(dǎo)星來測(cè)量大氣湍動(dòng)情況。光波在穿過大氣層之前可以認(rèn)為其波前為平面，隨著它穿過大氣進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡，它的波前就會(huì)受到擾動(dòng)變得參差不齊。問題的關(guān)鍵是測(cè)量這一波前，并且將信息傳送到可變形鏡面上。為了做到這一點(diǎn)，望遠(yuǎn)鏡焦點(diǎn)附近的分束器會(huì)將一部分星光導(dǎo)入波前傳感器。目前最廣泛使用的波前傳感器是沙克-哈特曼（Shack-Hartmann）傳感器，它由許多的小透鏡組成，每一個(gè)透鏡都有自己獨(dú)立的圖像探測(cè)器。如果一束光的波前是平面，那么經(jīng)過透鏡聚焦之后就會(huì)在圖像探測(cè)器的中央成像。如果光束的波前有一些傾斜，那么其成的像就會(huì)偏離中央。測(cè)量這些像的位移，就能計(jì)算出波前的形狀。
除了之前提到的沙克-哈特曼波前傳感器，還有一類傳感器叫曲率探測(cè)系統(tǒng)，它的改正是通過雙壓電晶片自適應(yīng)透鏡來完成的，透鏡由兩個(gè)壓電平面組成。對(duì)于這兩種方法來說，波前探測(cè)的完成都基于引導(dǎo)星。波前扭曲的測(cè)量可以在可見波段進(jìn)行而在紅外波段應(yīng)用，如果參考星很暗的話則直接在紅外波段進(jìn)行。如果要在可見波段進(jìn)行修正，引導(dǎo)星的亮度應(yīng)該比在紅外波段進(jìn)行修正時(shí)大25倍左右。因此大部分現(xiàn)代天文觀測(cè)系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用來提供紅外波段附近接近衍射極限的星像，同時(shí)對(duì)可見波段的星像進(jìn)行部分修正。不過，美國(guó)的一些衛(wèi)星軍事系統(tǒng)也提供可見波段的完全修正。
自適應(yīng)光學(xué)除了對(duì)引導(dǎo)星的亮度有較高的要求外，由于適用于自適應(yīng)光學(xué)的視場(chǎng)大小是相當(dāng)小的，于是適用的引導(dǎo)星一般必須距離觀測(cè)對(duì)象較近。
2．激光引導(dǎo)星
為了克服之前談到的引導(dǎo)星的限制，最有效的方法是人為制造一顆引導(dǎo)星，這也被稱為激光導(dǎo)星(LGS, 見下圖)。大氣中間層的鈉原子或一些其他位于低層大氣的微粒都能夠反射脈動(dòng)的激光從而造成狹小的光斑。前者反射的光集中在90km的高度(納共振)，后者大概集中在10到20km(瑞利漫散)。很顯然人造引導(dǎo)星可以被制造得距離目標(biāo)星無限近，波前傳感器通過測(cè)量反射的激光來糾正來自目標(biāo)星光束波前的扭曲。
美國(guó)的一些簽有軍事合同的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)宣布人造激光引導(dǎo)星在60cm望遠(yuǎn)鏡和1.5m望遠(yuǎn)鏡的成功應(yīng)用。他們都取得了大約0.15角秒的分辨率并證明了激光探測(cè)的可能。主動(dòng)戰(zhàn)略防御組織(SDIO)和美國(guó)海軍宣布在圣地亞哥的一臺(tái)1m望遠(yuǎn)鏡上像分辨率提高了近10倍。而對(duì)于一些用于天文(非軍事)的系統(tǒng)來說，美國(guó)第一次完成了人造引導(dǎo)星的天文觀測(cè)，此外還有應(yīng)用于3.5mARC望遠(yuǎn)鏡的芝加哥自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)（ChAOS）。
3．小小的總結(jié)
現(xiàn)在，許多大中型望遠(yuǎn)鏡都采用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，舉例來說：第一個(gè)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)——ADONIS，應(yīng)用于歐洲南方天文臺(tái)（ESO）的3.6m望遠(yuǎn)鏡；安裝于8m北半球雙子星（Gemini）望遠(yuǎn)鏡的Hokupa'a自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)；應(yīng)用于3.6m加拿大-法國(guó)-夏威夷望遠(yuǎn)鏡 (CFHT)的PUEO自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)；第一次實(shí)現(xiàn)激光引導(dǎo)星, 安裝于西班牙卡拉阿托(Calar Alto)天文臺(tái)3.5m望遠(yuǎn)鏡的ALFA自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)；雖然曾經(jīng)只利用自然引導(dǎo)星做自適應(yīng)光學(xué)改正，但是很快開始使用激光引導(dǎo)星，應(yīng)用于里克天文臺(tái)的(Lick)3.5m沙因(Shane)望遠(yuǎn)鏡的LLNL自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)；還有第一次應(yīng)用于超大型望遠(yuǎn)鏡凱克2號(hào)(Keck II)的Keck II AO facility。另外有不少望遠(yuǎn)鏡正在建設(shè)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，包括應(yīng)用于甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）的NAOS和SINFONI自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。
許多最近的天文觀測(cè)成果都基于新的光學(xué)觀測(cè)技術(shù)。尤其是當(dāng)甚大望遠(yuǎn)鏡(VLT)投入使用后(共干涉觀測(cè)法帶來了更清晰的像質(zhì))，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)顯得更加重要。強(qiáng)大的集光能力和極小的分辨率(空間上的和光譜上的)將為未來地面天文觀測(cè)帶來最主要的進(jìn)步。更深入地，計(jì)劃和討論中的巨型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡(比如OWL)將依賴先進(jìn)的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)全部的天文觀測(cè)——在這些項(xiàng)目的建設(shè)初期望遠(yuǎn)鏡就和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)溶為一體。
人造激光引導(dǎo)星，圖片版權(quán)：Caltech
射 電 望 遠(yuǎn)
射電望遠(yuǎn)鏡與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡不同，它既沒有高高豎起的望遠(yuǎn)鏡鏡簡(jiǎn)，也沒有物鏡、目鏡，它由天線和接收系統(tǒng)兩大部分組成。巨大的天線是射電望遠(yuǎn)鏡最顯著的標(biāo)志，它的種類很多，有拋物面天線、球面天線、半波偶極子天線、螺旋天線等。最常用的是拋物面天線。天線對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡來說，就好比是它的眼睛，它的作用相當(dāng)于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中的物鏡，它要把微弱的宇宙無線電信號(hào)收集起來，然后通過一根特制的管子（波導(dǎo)）把收集到的信號(hào)傳送到接收機(jī)中去放大。接收系統(tǒng)的工作原理和普通收音機(jī)差不多，但它具有極高的靈敏度和穩(wěn)定性。接收系統(tǒng)將信號(hào)放大，從噪音中分離出有用的信號(hào)，并傳給后端的計(jì)算機(jī)記錄下來。記錄的結(jié)果為許多彎曲的曲線，天文學(xué)家分析這些曲線，得到天體送來的各種宇宙信息。
靈敏度和分辨率是衡量射電望遠(yuǎn)鏡性能的兩個(gè)重要指標(biāo)。靈敏度是指射電望遠(yuǎn)鏡“最低可測(cè)”的能量值，這個(gè)值越低靈敏度越高。為提高靈敏度常用的辦法有降低接收機(jī)本身的固有噪聲、增大天線接收面積、延長(zhǎng)觀測(cè)積分時(shí)間等。分辨率是指區(qū)分兩個(gè)彼此靠近射電源的能力，分辨率越高就能將越近的兩個(gè)射電源分開。那么，怎樣提高射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率呢？對(duì)單天線射電望遠(yuǎn)鏡來說，天線的直徑越大分辨率越高。但是天線的直徑難于作得很大，目前單天線的最大直徑小于300米，對(duì)于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的射電波段分辨率仍然很低，因此就提出了使用兩架射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成的射電干涉儀。對(duì)射電干涉儀來說，兩個(gè)天線的最大間距越大分辨率越高。另外，在天線的直徑或者兩天線的間距一定時(shí)，接收的無線電波長(zhǎng)越短分辨率越高。擁有高靈敏度、高分辨率的射電望遠(yuǎn)鏡，才能讓我們?cè)谏潆姴ǘ?#8220;看”到更遠(yuǎn)、更清晰的宇宙天體。
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