星系和宇宙望遠鏡的故事

□ 方慧 聞新

星系和宇宙望遠鏡的故事

□ 方慧 聞新

世界上第一臺望遠鏡究竟是誰發明的？

第一個用望遠鏡觀測太空的伽利略

關于世界上第一臺天文望遠鏡是誰發明的問題，科技史所描述的是意大利的科學家伽利略。但伽利略卻否認這一點，他說是荷蘭人首先發明的，這是怎么回事呢？

1608年，荷蘭有一位眼鏡制造商，名字叫漢斯．利伯斯海，他的兩個孩子很調皮，偶然一個機會，他們從店鋪里拿來兩片透鏡，一前一后列隊排放著，用眼睛張望后，發現遠處教堂上的物體又大又近。漢斯得知后，非常高興，他隨后用一個簡易的筒，把兩塊透鏡裝好，就制造成了世界上第一臺望遠鏡。

1609年，伽利略自制的透鏡式望遠鏡僅僅能產生一個使物體放大三倍的效果，之后他又改進和提高放大倍數。他利用改進的望遠鏡，觀察太空后，發現月球山、太陽黑子和無數肉眼不可見的星星。所以伽利略不是第一個發明望遠鏡的人，但卻是世界上第一個用望遠鏡觀測太空的人。

古代人制作的望遠鏡筒為什么那么長？

J·赫維留于1673年制造了一架巨型長度的望遠鏡

在17世紀中期，折射望遠鏡的物鏡由透鏡或透鏡組組成，人們發現提升望遠鏡放大倍數的方法之一就是利用一組尺寸和間距更大的組合透鏡理念，這種理念導致當時望遠鏡筒的長度越來越長。1673年，J.赫維留制造了一架巨型長度的望遠鏡，這種望遠鏡的透鏡組被懸掛在長達45米的開放式框架上，整個鏡筒被吊裝在一根31米高的桅桿上。使用時，需要多人用繩子拉著轉動升降。

另外，折射式望遠鏡焦距越大色差越小，所以當時惠更斯干脆將物鏡和目鏡分開，將物鏡吊在百尺高桿上。直到19世紀末，人們發現由兩塊折射率不同的玻璃分別制成凸透鏡和凹透鏡，再組合起來可以消色，這才結束了望遠鏡變得越來越長的時代。

誰發明了反射望遠鏡？

牛頓發明的反射望遠鏡（左圖）和19世紀最大的望遠鏡（右圖）

1668年，牛頓發明了反射望遠鏡。在這種望遠鏡中，牛頓使用曲面反射鏡將光線聚集并反射到焦點上，曲面反射鏡越大，收集到的光也越多。這種望遠鏡的放大倍率達到了數百萬倍，超過了折射望遠鏡所能達到的極限。另外，用曲面反射鏡，不僅可以消除色差對影像造成的影響，還使得望遠鏡的結構更加緊湊。

1781年，英國天文學家赫歇爾發明了用于制作反射望遠鏡鏡面的金屬材料，這使他可以制造出看得更遠的望遠鏡，他因此也獲得了甚至包括天王星在內的一些太空新發現。

隨著歲月發展，牛頓曾經使用的15.24厘米直徑小銅鏡，逐漸被更大口徑的折射鏡所取代。1845年，威廉·帕森思在愛爾蘭建成了一架口徑為183厘米的反射望遠鏡，并裝有直徑1.8米的鏡片。但是，它需要一面墻體支撐，所以這臺望遠鏡只能在有限的方向范圍內觀察。

胡克望遠鏡及其貢獻

建立在美國加利福尼亞的威爾遜山天文臺的胡克望遠鏡

1917年，胡克望遠鏡在美國加利福尼亞的威爾遜山天文臺建成，其口徑為2.5米，是世界第一臺能同時具備大尺寸與機動性的望遠鏡，而且直到1949年為止，一直是世界上最大的望遠鏡。

胡克既是生物學家，同時又是天文學家。他關心植物結構的同時，試圖測量恒星到我們的距離。胡克望遠鏡是由胡克出資贊助并建造的。埃德溫·哈勃借助胡克望遠鏡，完成了他的關鍵的計算，確定了許多銀河系外的星系、認識到星系的紅移、發現了宇宙在膨脹的現象。

射電天文學與射電望遠鏡

卡爾·詹斯基建造的無線電天線（左圖）和射電望遠鏡（右圖）

1933年，美國物理學家卡爾·詹斯基當時是一個負責搜索和鑒別電話干擾信號的工程師，他建造了一座大約30米長、6.5米高的無線電天線，用來監測短波無線電信號，但卻意外地發現了與銀河系產生和滅亡信息有關的來自宇宙的射電波，這個發現也標志著射電天文學的誕生。

30年后，美國貝爾實驗室無線電工程師阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜調查這種太空射電波，竟然發現它是大爆炸的最后遺留物，并因此而榮獲1978年的諾貝爾物理學獎。

如今科學家們也將這種宇宙射電波稱為“宇宙微波背景輻射”，射電波是長波無線電信號，所以要求接收面積非常大的天線。射電望遠鏡就是用來觀測和研究宇宙射電波的設備，可以測量宇宙射電信號的強度、頻率和偏振等。射電望遠鏡的組成部分包括收集射電波的定向天線，放大射電波的高靈敏度接收機，以及射電信息處理和顯示裝置。

山頂望遠鏡與甚大望遠鏡

山頂望遠鏡（左圖）和4臺甚大望遠鏡（右圖）

天文學家很早就知道，在高海拔處觀測星空有助于削弱大氣湍流對星光的影響。但直到20世紀后半期，遙遠的山頂天文臺才變成現實。凱克望遠鏡是位于在太平洋夏威夷島上的一座天文望遠鏡，坐落在海拔4200多米的人跡罕至的莫納克亞山上。

甚大望遠鏡是歐洲南方天文臺部署在海拔高度為2632米處的大型光學望遠鏡，由4臺相同的8.2米口徑望遠鏡組成，組合的等效口徑可達16米。4臺望遠鏡可以同時觀測多個光源，組成高分辨率光學干涉儀。

世界最大的望遠鏡

極大望遠鏡

2014年歐洲南方天文臺宣布一個被稱為“極大望遠鏡”的天文望遠鏡將在2024年投入運作。這個“極大望遠鏡”的主鏡口徑為42米，其中包含798個分鏡。相比之下，“甚大望遠鏡”主鏡直徑僅僅為8.5米，所以“極大望遠鏡”是世界最大的望遠鏡。本來科學家們想建造直徑為100米的“超大望遠鏡”，但后來證明這個想法耗資太大，所以退而求其次，決定建造“極大望遠鏡”。

“極大望遠鏡”建造在高度為3060米的智利塞魯阿瑪遜斯山頂，占地面積相當于一個體育館大小。“極大望遠鏡”對可見光和紅外光線非常敏感，可幫助天文學家探測140億年前最早誕生的宇宙星系的狀況。

下期預告：隨著航天技術的不斷發展，天文學家在太空部署望遠鏡的夢想成為現實。天基天文望遠鏡可以克服地球大氣效應和地球運動等因素的影響。下期題目為“天基望遠鏡”，主要介紹天基望遠鏡的發展歷程及所涉及到的文化，包括火箭探測器、哈勃望遠鏡、韋伯望遠鏡，以及韋伯望遠鏡承載的使命等等。