第二讲观天巨眼400年光学望远镜的发展 在没有望远镜的年代，人们只能凭借自己的双眼观察各类天体来研究它们的运动规律和各种性质。自从1609年意大利科学家伽利略发明了天文望远镜之后，古人幻想中的千里眼变成了现实。在望远镜约400年历史中的前300多年，光学望远镜几乎是获取天体信息的惟一手段，光学天文学也几乎成为天文学的代名词。近几十年来由于射电天文和空间天文的崛起使光学天文学失去了霸主的地位，但是全波段时代的到来并没有降低光学望远镜的作用。各个波段的观测是相互补充、相互促进的。在竞争中光学望远镜又有了惊人的发展。1 1一、天文望远镜的发明和早期光学望远镜 光学望远镜，是天文学家的主要工具之一，大多数天文学上用的光学望远镜，都是由一片大的曲面镜，代替透镜来聚焦，这样可以确保灵敏的探测器能用最大限度收集从遥远星球发出的管线，而透镜则会在光线通过时把其中的一部分吸收 。 光学天文望远镜主要有三大类：折射式望远镜、反射式望远镜和折反射式望远镜。 折射式望远镜利用透镜作主镜收集光线并将光线屈折到焦点上。 反射式望远镜则使用一块凹透镜作主镜，将入射光线反射后会聚到焦点上。 折反射式则是在反射镜的基础上在入口处加一块称为修正镜的透镜。2 21.1.人类第一架光学望远镜人类第一架光学望远镜伽利略的折射式望远镜伽利略的折射式望远镜1609年意大利著名物理学家伽利略发明了人类历史上第一架天文望远镜。他制作的天文望远镜都是折射式望远镜，是用一块凸透镜作物镜，一块凹透镜作目镜。虽然他研制的几架望远镜的口径都只有几厘米，但却获得了许多震惊世界的新发现。他发现了太阳表面的黑子，月球表面凹凸不平的环形山，木星的4颗卫星，以及金星的圆缺变化。更令人吃惊的是，当他把望远镜对准了夜空中那条柔和的光带银河时，看到了多如牛毛的星星。3 3太阳表面的黑子4 45 5木星的4颗卫星6 6金星的圆缺变化7 7银河8 8由于玻璃对各种颜色光的折射率各部相同，用单透镜作物镜回产生严重的色差。色差是天文观测中的大忌，它会使一个观测目标变成一个色彩斑斓的光环。为了解决这个问题，后来的折射式望远镜都不再用一块透镜作物镜，而是用两三块或更多块折射率不同的玻璃组合在一起作为一个物镜使用，成为消色差的光学系统。常用的有双胶合物镜、双分离物镜、三分离物镜，等等。9 92.牛顿发明反射式望远镜 折射镜的一个重大缺陷是会产生色差。牛顿是首先了解色差产生原因的科学家。为避开折射望远镜的这一缺陷，牛顿开始研制反射望远镜。 牛顿用青铜凹面镜来代替凸透镜作物镜，再在这面凹面反射镜的焦点位置上倾斜的放置一小片平面镜，把会聚后的光再反射到目镜上。这就是世界上第一架利用光的反射原理制成的反射式望远镜，后来人们就把这种类型的望远镜称之为“牛顿式望远镜”.1010 牛顿式反射望远镜由三部分组成，一是作物镜的抛物面镜，二是平面反射镜，三是目镜。由前端入射的光被反射镜会聚到一块平面镜。平面镜是斜着放置的，以便把光线反射到安装在镜筒侧面的目镜上。牛顿式光学系统的相对口径一般为13到15，它的特点是光力强，像质优良。 1672年法国天文学家卡塞格林发明了一种反射系统，由抛物面镜物镜、双曲面副镜和目镜组成。1111 由于反射系统的主镜重量较轻，比起折射镜来镜面容易做大，又不会产生色差的干扰，因此大口径的望远镜都采用反射式。反射望远镜发展非常快，成为光学望远镜的主流。目前世界上最优秀的望远镜都是反射望远镜。12123.赫歇尔和罗斯的反射式望远镜 赫歇尔一生当中共磨制了数百架望远镜，在研制反射式望远镜方面做出了重大贡献。他用自己磨制的一架口径15厘米的牛顿式望远镜发现了天王星。1786年，他实施了一项令世人震惊的计划，制造了一架当时世界上最大的口径达1.2米的反射望远镜。1313 英国天文学家罗斯伯爵花费20多年的时间，先后制成了四架反射望远镜，口径一架比一架大，最大的一架口径达1.84米，曾雄霸一时。罗斯用它首次发现蟹状星云具有纤维状结构，就像是一只只的螃蟹腿。罗斯将它命名为蟹状星云，这个名字至今未变。1414 镜面越大，会聚光线的能力越强。聚光能力越强，望远镜可以“看到”的空间就越深。目前世界上的大型望远镜基本上都是反射式的，最大的反射镜面口径已达10米，而最大的折射式望远镜的口径仅有1米。15154.克拉克父子创造折射望远镜的辉煌 克拉克父子是马萨诸塞州的画家。 1860年，密西西比大学名誉校长巴纳德决定要为他的大学造一架口径47厘米的折射镜，这将成为美国首屈一指的最大折射镜。克拉克父子仅用了两年时间就完成了这项任务。他们用这架望远镜发现了天狼星的伴星人类发现的第一颗白矮星。 1870年，他们又为美国海军天文台造了一架物镜口径66厘米的折射式望远镜。海军天文台的天文教授霍尔用这架望远镜发现火星的两颗卫星。 此后，克拉克父子又造了两架更大的折射望远镜。分别是口径91厘米的里克望远镜和口径102厘米的叶凯士望远镜。这两家望远镜是目前世界上最大的两架折射望远镜。16165.施密特的折反射望远镜如何把折射式望远镜和反射式望远镜的优点集于一身呢?这是天文学家多年以来梦寐以求的愿望。20世纪30年代，德国光学专家施密特的巧妙设计使天文学家的这一愿望变成了现实。勃恩哈德.施密特本是俄国人，22岁来到德国。1926年，47岁的施密特来到汉堡天文台工作。他要超越前人，研制一种融折射镜和反射镜的优点为一体的新型望远镜。经过4年的努力，在1930年研制出一架主镜口径48厘米，修正镜口径36厘米的折反射式望远镜。这个光学结构的设计复杂，但他却主要用手工操作，而且还是靠他紧有的一只左臂研磨完成工艺要求非常高的光学系统。这种折反射式望远镜的光路非常巧妙，它的一块球面主镜放在镜筒的后边，一块波浪形的透镜作为改正镜放在主镜前适当的位置。改正镜与主镜的口径比例大约为23。望远镜的焦点不是聚焦在一个平面上，而是聚焦在一个曲面上。施密特望远镜兼顾了折射镜和反射镜的优点。球面反射镜作主镜会产生色差，影响成像质量，而波浪形的透镜正好能改正光线经过反射镜时所产生的各种像差，是望远镜得到了像折射镜一样的大视场和像反射镜一样的高清晰度。施密特望远镜非常适合作天体摄影工作，可获得大面积天区的高清晰度照片。1717百折不挠的施密特成功了，然而他却积劳成疾，于1935年12月1日，年仅56岁时就去世了。为了缅怀施密特的伟大功绩，后来，人们将施密特设计的这种折反射式天文望远镜统称为施密特望远镜。目前，世界上最大的施密特望远镜在德国史瓦西天文台，它的主镜口径200厘米，改正透镜口径为134厘米，视场达3.43.4。1818二.光学望远镜的几个重要参数1.物镜口径、物镜焦距和相对口径 物镜口径是望远镜聚光本领和分辨率的主要标志，一般是指有效口径D，即望远镜经过镜框限制所能接收到的最大光束的直径，也叫通光直径或入射光瞳。 物镜焦距f是天体摄影时底片比例尺的主要标志，焦距越长，拍摄到的天体的尺寸就越大。 望远镜有效口径D与焦距f之比叫做相对口径或相对孔径，用A表示，即A=D f。2.分辨角 分辨角是刚刚能被望远镜分辨开的天球上两个发光点之间的角距，用表示。根据光的衍射原理，可以得出=1.22D（其中D为望远镜物镜的有效口径，为来自天体的入射光的波长）。分辨角表示望远镜能观测到的天体细节的程度，是反映望远镜品质的重要指标。3.极限星等 极限星等是表征望远镜灵敏度的参数。将望远镜指向天顶区域，用肉眼透过望远镜所能看到的最暗的恒星星等，称为极限星等，用m表示。极限星等与望远镜的有效口径、相对口径、物镜的吸收系数、大气吸收系数和天空1919背景亮度等多种因素有关。极限星等可以有以下经验公式mB=6.9+5lgD来估计（式中望远镜有效口径D以厘米为单位）。4.放大率 放大率用G表示，它近似地等于物镜焦距f与目镜焦距f之比，通常就将G=ff算作望远镜的放大率。放大率并不是望远镜品质的最主要标志，过分追求高放大率是没有意义的。一般放大率应控制在物镜口径毫米数的1到2倍之间。5.视场 视场是指能够被望远镜良好成像的天空区域，直接在观测者眼中所张的角度称为视场或视场角，用表示。望远镜的视场一般都是在设计时即已确定的，它与放大率成反比，放大率越大，视场越小。2020三.天文望远镜的终端设备1.目镜2.摄像系统 与目视观测相比，照相观测具有许多优越性。首先，它能将宇宙中瞬间发生的现象客观地、真实地记录下来，并可长期保存，供人们分析、研究和交流；其次，由于照相底片具有积累效应，有些目视观测看不见的暗弱天体，却可以通过长时间的曝光在底片上显现出来，用小望远镜得到大望远镜的效果。人们通过照相方法获得了弥足珍贵的天文发现，如日珥、冥王星、小行星等。3.光电光度计 19世纪末期，物理学家发现光照射到某些物质上能产生电流，入射光的强弱变化也会引起电流的强弱变化，这种现象称为“光电效应”。光电倍增管就是根据这一现象制造出的光电转换器件。光电光度计可设计成单通道、双通道和多通道。4.光谱仪 获得天体光谱的仪器叫光谱仪，也叫摄谱仪。摄谱仪由狭缝、准直镜、色散元件、成像镜及底片组成。21215.电荷耦合器件（CCD） CCD是英文charge-coupled device（电荷耦合器件）的缩写。由极薄的硅晶片制成，硅片被分成几百万甚至几千万极其微小的单元，称为像素。目前CCD技术已被用到数码相机上，走进了千家万户。日珥 冥王星2222四.当代大型光学望远镜1.海耳望远镜 1918年海耳研制完成的一架口径2.5米的反射式望远镜安放在威尔逊山天文台的山顶上。著名天文学家哈勃就是使用这架望远镜获得了许多重大发现，如发现河外星系的存在和哈勃定律。 1929年，他得到美国金融大亨洛克菲勒的资助，开始建造5米望远镜。1934年开始动工，直到1948年才最后完成，放置在帕洛玛山上。 1969年，威尔逊山天文台和帕洛玛山天文台合并，并命名为海耳天文台。2323海耳望远镜24242.凯克望远镜 20世纪80年代，美国加州理工学院的天文学家利用最新技术开始建造两台口径10米的光学、红外两用望远镜，成为特大型光学望远镜的杰出代表。两台10米望远镜用资助者的名字命名，分别称为凯克号镜和凯克号镜。凯克号和号都配有目前世界最先进的CCD照相机。目前，天文学家正在计划利用光的干涉原理，将凯克号和号联合起来，组成一个光学干涉仪。25253.欧南台的甚大光学望远镜 1987年12月欧南天文台决定建造甚大光学望远镜，它由4台口径8.2米的光学望远镜组成，耗资5亿美元。26264.日本的昴星团望远镜 它的主镜是整块的巨大的直径8.3米的反射镜，造价为3.7亿美元。这架日本惟一超大型望远镜具有多种用途。它有3个副镜和4个不同的焦点，还有7个附属仪器。 昴星团望远镜投入使用以后，立刻显示出它的威力。如发现冥王星和它的卫星查龙的表面成分有很大差别。冥王星表面有许多甲烷且见不到水冰，而查龙的表面却是被水冰覆盖，见不到甲烷。“昴星团”优良的成像质量已经成为日本天文学家的骄傲。27275.七国联合制造的双子望远镜 美国、英国、加拿大、澳大利亚、智利、巴西和阿根廷等7个国家共同出资近2亿美元研制了两架完全一样的口径为8.1米的望远镜，并将它们命名为双子望远镜。这两架望远镜中的一架安装在夏威夷莫纳克亚，称做北双子，另一架安装在智利中部海拔2950米的色落.托洛洛，称做南双子。 双子望远镜虽然也配备了可见光照相机和摄谱仪，但是它的主要功能还是用于对天体红外波段的观测。28286.中国大天区面积多目标光纤光谱望远镜（）是一架横卧南北方向的准中星仪式反射施密特望远镜。在跟踪过程中，通过主动光学系统控制以保持所需的非球面形状并消除去球差。这是导致大视场和大口径相结合的关键技术，是中国天文学家的创造。的投资为.亿元人民币。它将安装在国家天文台兴隆观测基地。将使我国天文学在大规模光学光谱观测中，在大视场天文学研究方面，居于国际领先的地位。2929五.哈勃空间望远镜 人类自从进入空间时代以来，天文学家就梦想把光学望远镜送到太空中去观测宇宙。因为浓密的大气层是天文学家观测研究宇宙天体的一大障碍。地球大气对天文观测的影响主要有两个方面。第一，在宇宙空间，没有大气的干扰，光学望远镜的分辨本领可以达到它的衍射极限。而地面光学望远镜却由于大气的干扰而大大降低分辨率。第二，地球大气中的臭氧对紫外辐射有强烈的吸收作用，大气中的水汽又能够吸收大部分红外辐射，因此地面光学望远镜的观测波段受到很大限制。把光学望远镜送到距地面几百千米以上的太空中区观测，就可以彻底摆脱地球大气的干扰，从而达到地面望远镜望尘莫及的高分辨能力，并且大大扩展了观测波段，从紫外一直到红外，比地面光学望远镜的观测波段宽很多。 美国宇航局1962年就开始酝酿空间望远镜计划，1977年得到批准。1990年4月24日，这架主镜口径2.4米的望远镜终于由“发现”号航天飞机送上了距地面600千米的太空轨道。用伟大的天文学家哈勃的名字命名，简称HST。 哈勃空间望远镜是迄今为止被送入太空的最大的天文望远镜。它全长12.8米，镜筒直径4.27米，重11吨，由三大部分组成。第一部分是光学部分，第二部分是科学仪器，第三部分是辅助仪器。3030 哈勃镜一个最大的优点是图像清晰，能分辨小到0.06角秒的细节，比几年前地面观测所能达到的分辨率高出10倍以上。10年来，哈勃空间望远镜已经取得了非常丰硕的观测成果。哈勃空间望远镜以其卓越的贡献解释了宇宙中许多前所未知的秘密，然而它的使用寿命有限，大约2010年前后就要退役。现在，美国国家宇航局已经决定在“哈勃”的寿命终结之后再发射一架新的空间望远镜第二代空间望远镜来接班。3131六.光学望远镜的自适应光学系统 20世纪80年代初期，天文学家就开始着手实验用简单的自适应光学系统去改正由于大气湍流所引起是图像的畸变。自适应光学系统首先要测出大气使星光波前变化的数据，确定波前的每一部分同其它部分的相位差有多大。然后根据这种信息来调整改正镜的形状，精确地进行表面变形使之恰好抵消由大气湍流引起的畸变。当自适应光学系统正确工作时，波前的所有部分都应同相到达焦点，形成完整清晰的像。 自适应光学的发展使地面上的光学望远镜冲破大气湍流造成的对望远镜分辨率的极限，以致可以与哈勃空间望远镜竞争。 自适应光学尽管希望很大，但也有一些很难克服的困难，全面超过哈勃空间望远镜是不可能的。3232