用液體制作天文望遠鏡 伽利略望遠鏡與開普勒望遠鏡 世界上第一架天文望遠鏡是意大利科學家伽利略于1609年發(fā)明的,當時只能將物體放大3倍。后來這架望遠鏡經過伽利略不斷改進,能將物體放大30倍。他用這臺望遠鏡觀測天象,獲得了月球表面的環(huán)形山、太陽黑子、金星盈虧等重大發(fā)現。他的天文望遠鏡是用荷蘭人利比斯赫設計的水晶透鏡制造的,鏡筒的一端為凹透鏡,另一端為凸透鏡。 后來,德國天文學家開普勒又發(fā)明了一種天文望遠鏡,是用兩塊凸透鏡組合起來的。
用開普勒望遠鏡觀看遠處天體時,影像是上下顛倒的實像。這對天文觀測沒有太大的妨礙,只要記住影像是顛倒的這一點,并在鏡筒的實像位置上劃一個十字線,研究天體就不會有什么差錯。 不管是伽利略望遠鏡還是開普勒望遠鏡,都是利用光折射成像原理制成的折射式望遠鏡。這些望遠鏡會出現一個共同的缺點——球差和色差。球差是因為透鏡邊緣和中心厚度不一樣而造成的,從透鏡不同地方透射出來的光線不能聚在同一焦面上,造成天體圖像變形。色差是指因透鏡的色散而造成望遠鏡所觀測的天體圖像上存在無關的顏色。另外,折射式望遠鏡的口徑越大,鏡筒就越大,給望遠鏡的
用液體制作天文望遠鏡 伽利略望遠鏡與開普勒望遠鏡 世界上第一架天文望遠鏡是意大利科學家伽利略于1609年發(fā)明的,當時只能將物體放大3倍。后來這架望遠鏡經過伽利略不斷改進,能將物體放大30倍。他用這臺望遠鏡觀測天象,獲得了月球表面的環(huán)形山、太陽黑子、金星盈虧等重大發(fā)現。他的天文望遠鏡是用荷蘭人利比斯赫設計的水晶透鏡制造的,鏡筒的一端為凹透鏡,另一端為凸透鏡。 后來,德國天文學家開普勒又發(fā)明了一種天文望遠鏡,是用兩塊凸透鏡組合起來的。用開普勒望遠鏡觀看遠處天體時,影像是上下顛倒的實像。這對天文觀測沒有太大的妨礙,只要記住影像是顛倒的這一點,并在鏡筒的實像位置上劃一個十字線,研究天體就不會有什么差錯。
不管是伽利略望遠鏡還是開普勒望遠鏡,都是利用光折射成像原理制成的折射式望遠鏡。這些望遠鏡會出現一個共同的缺點——球差和色差。球差是因為透鏡邊緣和中心厚度不一樣而造成的,從透鏡不同地方透射出來的光線不能聚在同一焦面上,造成天體圖像變形。色差是指因透鏡的色散而造成望遠鏡所觀測的天體圖像上存在無關的顏色。另外,折射式望遠鏡的口徑越大,鏡筒就越大,給望遠鏡的安裝和使用帶來不便。 牛頓的反射式望遠鏡 為了克服折射式望遠鏡的缺點,英國物理學家牛頓用凹面鏡代替凸透鏡聚光,再使光線通過凸透鏡成像,這就是歷史上第一臺反射式望遠鏡。他用這臺望遠鏡清楚地看到了木星的衛(wèi)星及金星的盈虧。
牛頓的第一臺反射式望遠鏡內的凹面鏡,直徑只有12.7厘米,其觀測范圍很有限。而天文望遠鏡的目的是要觀測和收集遙遠的天體發(fā)出的光線并使其形成影像。為了對天體作更加仔細的研究和觀測更暗弱的天體,最重要的手段就是增大望遠鏡的口徑。因此,現代反射式望遠鏡的口徑越做越大。1795年,英國制造了一臺口徑為1.30米的反射式望遠鏡,它的反射式望遠鏡和凸透鏡之間的距離達13米,質量達1噸。自那以后,美國和蘇聯相繼制成口徑更大的反射式望遠鏡。如美國在帕洛馬山天文臺安裝了一臺口徑為5米的大型反射式望遠鏡;蘇聯在高加索的一個天文臺安裝了一架口徑達6米的反射式望遠鏡。 望遠鏡的口徑做得越大,天文學家可觀測到的天體就越多,并且觀測到的細節(jié)也越來越豐富,甚至可觀測到圍繞其他恒星運行的行星。
但是凹面鏡越造越大,其鏡面的加工難度也越大。大型反射式望遠鏡的加工難度可以從加工凹面鏡的過程得到證明。生產一面直徑為3.58米的凹面鏡,要用45噸玻璃。工人們先將玻璃熔化,然后緩緩注入一個碟子形的模子里,模子直徑達8米。當溫度為1400℃的液體玻璃全部注入模子后,再將模子移到一個轉臺上,以每分鐘6圈的速度轉動,利用離心力使熔化的玻璃布滿碟子的內表面,待玻璃冷卻到800℃后,連同模子放進一個巨型爐中,使直徑8米多、厚度17厘米的玻璃碟在3個月內逐漸冷卻。如此緩慢的冷卻是為了防止產生內應力,以免玻璃碎裂。此后,玻璃碟還要經過長達8個月的熱處理,才能進行研磨拋光。
研磨后,在凹面上鍍上一層鋁,接著在中心鉆一個直徑約1米的孔。經過這一系列工序,才能得到一塊質量為23噸、直徑為3.58米的反射凹面鏡。整個加工過程要花費兩年時間。 液體望遠鏡的問世 因為制造一面巨型反射凹面鏡特別費事,所以科學家們開始探索減輕反射凹面鏡重量和簡化制造工藝的途徑,有些科學家就提出用水銀來制作望遠鏡的想法。1987年,一批加拿大的天文學家終于制造出一架口徑為1.5米的水銀液體望遠鏡。制作水銀反射式望遠鏡特別簡單,水銀反射式望遠鏡的凹面用45秒的時間就可以成形。技術人員先把水銀注入一個拋物面形的盤子中,使其覆蓋盤子的大部分表面。
然后旋轉盤子,使水銀在離心力的作用下散開,形成一層1~2毫米厚的拋物面薄膜。由于水銀有較大的表面張力,制作完成的水銀表面上有時會出一些小孔。當出現這種情況時,可以重復操作一次。一般的操作人員經過幾天的實際練習,都能“旋轉”出完全沒有小孔的光潔如鏡的水銀薄膜凹面鏡。這種水銀反射式望遠鏡的價格比玻璃反射式望遠鏡便宜得多。目前,加拿大的天文學家正在籌建口徑為5~15米的巨型水銀反射式望遠鏡。他們的長遠目標是建造口徑為30米的大型水銀反射式望遠鏡,以便觀測更遠處的天體。 天文學家下一步的目標之一就是要制造口徑為20~100米的超大型反射式望遠鏡,而用玻璃制造這樣大的單鏡面反射式望遠鏡幾乎是不可能的。
但是,由于水銀反射式望遠鏡具有成本低和重量輕的特點,利用水銀則完全可能制造出超大口徑的反射式望遠鏡。一些天文學家正在制作口徑為12米的水銀反射式望遠鏡,然后用18臺這種水銀反射式望遠鏡組成一個望遠鏡陣列,這個陣列就相當于一架口徑為50米的大型反射式望遠鏡。 水銀反射式望遠鏡的弱點 水銀反射式望遠鏡的最大弱點是只能垂直觀測上方的一小塊天空,不能傾斜,否則水銀就會溢出,因此觀測的天空區(qū)域狹窄,就像“坐井觀天”。
后來,天文學家又制造出了可以旋轉的水銀反射式望遠鏡,這樣不僅能觀測正上方非常狹小的天空,而且在天體經過水銀反射式望遠鏡上方時望遠鏡還可以通過旋轉跟蹤天體半小時。對水銀反射式望遠鏡而言,這是一個不小的進展。現在,天文學家甚至能通過改變水銀盤的旋轉速度,改變水銀反射式望遠鏡的焦距。 水銀反射式望遠鏡的另外一個缺點就是會揮發(fā)出有毒的水銀蒸氣。在鏡面開始形成時,水銀蒸氣量較大,操作人員應戴上防護面罩。但幾小時后,在表面形成一層氧化膜,水銀的蒸發(fā)量就會大大減少。 水銀反射式望遠鏡還有一個缺點是怕振動和風吹。由于水銀形成的是凹面,望遠鏡微小的振動都會影響其凹面的精度,因此,水銀反射式望遠鏡需要安裝在混凝土底座上,并和周圍的建筑物隔離。
