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常州大学天文社

仰观苍穹知天文,俯察众生闹凡尘;细推物理须行乐,何用浮名绊此身!

 
 
 

日志

 
 

反射望远镜的发展历程  

2011-04-18 14:28:09|  分类: 基础知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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    以反射镜为物镜的望远镜,叫反射望远镜,是天文望远镜中最常见的形式。
  如果把天文望远镜发展历程比作枝繁叶茂的大树,那么折射望远镜的发展脉络只是这棵大树的一个支杆(尽管是可能最重要的支杆之一),而真正的主杆是反射望远镜,近现代的太阳望远镜、射电望远镜和空间望远镜这几个支杆都是从反射望远镜这个主杆衍生而来的,而当前的多镜面望远镜和超巨大望远镜就是反射望远镜这个主杆的目前的最前端。由此可知,反射望远镜的历史在天文望远镜发展史中的地位是何等重要。现在我们来介绍它的发展历程。
  反射望远镜的酝酿
  在整个17世纪,折射望远镜做得越来越长,使用变得越来越困难。反射镜与透镜一样,也具有聚光的本领,这是古人早已经知道的事实。在长镜筒折射望远镜渐入绝境的情况下,人们自然想到利用反射镜。
  1632年意大利数学家、伽利略的学生博纳文图拉·卡瓦列里(Bonaventura Cavalieri,1598~1647)在《燃烧镜》一书中探讨了阿基米德是否在叙拉古燃烧了敌船,也为能建造反射望远镜作了理论阐述。另一位意大利僧侣尼科洛·祖奇(Niccolo Zucchi,1586~1670)在1652年出版的一部著作中声称,自己在1616年就用凹面镜作物镜,制作了世界第一架反射望远镜,但是他的望远镜无法解决诸如“如果你的头阻挡了视线,那么你在镜子里怎么会看到东西呢”的问题。
  1663年英国数学家和天文学家詹姆斯·格里高里(James Gregory,1638 ~1675)出版了《光学的进程》一书,其中首度提出使用两个凹面镜制造反射镜的实用设计。格里高里精通数学,他的设计十分完美:主镜设计成一个抛物面,副镜设计成一个椭圆球面,这样既能消除球差,同时又能消除色差。可惜,当时的工艺技术水平完全达不到他的要求,这在当时只能是“纸上谈兵”的设计。很多年以后,人们按照格里高里的设计,制造出“格里高里式望远镜”,一直工作得很好,这是后话。
  英国另一位大科学家罗伯特·胡克(Robert Hooke,1635~1703)也想出了巧妙的主意——在一根管子里适度地安放几面反射镜,光线反复弯折,犹如折尺一般,使镜筒大大缩短。他的设计思路没有错,但是事实上却无法实现,因为按照当时的工艺水平,平面镜的反射率不及50%,几经反射,原来较亮的天体也会变得暗淡无光了。
  几位反射望远镜的先驱者,包括两位科学大师的努力,虽然没有制造出成功的反射望远镜,但是却酝酿了它的诞生,而真正完成这一历史使命的是与他们同时代的科学巨人牛顿。
  科学巨人牛顿
  艾萨克·牛顿爵士(Sir Isaac Newton,1643~1727)是一位英国物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家和炼金术士。
 

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牛顿的分光实验

  他在1687年发表的论文《自然哲学的数学原理》里,对万有引力和三大运动定律进行了描述。这些描述奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点,并成为了现代工程学的基础。他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性,展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律;为太阳中心说提供了强有力的理论支持,并推动了科学革命。在力学上,牛顿阐明了动量和角动量守恒的原理。在光学上,他发明了反射式望远镜,并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察,发展出了颜色理论。他还系统地表述了冷却定律,并研究了音速。在数学上,牛顿与戈特弗里德·莱布尼茨分享了发展出微积分学的荣誉。他也证明了广义二项式定理,提出了“牛顿法”以趋近函数的零点,并为幂级数的研究做出了贡献。
  在2005年,牛顿曾担任会长的英国皇家学会进行了一场“谁是科学史上最有影响力的人”的民意调查,在被调查的皇家学会会员和网民投票中,牛顿被认为比阿尔伯特·爱因斯坦更具影响力。
  牛顿发明反射望远镜
  1666年牛顿发现白色的太阳光是由赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光组成的,由于不同颜色的光的折射率不同,因此当它们通过棱镜以后,就分散开来,变成了一条彩色的光带。后来人们把这条彩色光带称为光谱。牛顿马上联想到,令人长期倍感头疼的折射望远镜的色差问题正是由于每一种颜色光的折射率各不相同造成的。而反射望远镜则没有色差问题——所有光的反射角都等于入射角,光反射之后不会分散。因此,牛顿决心要发明一种新型的、令人满意的反射望远镜。
 

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 牛顿发明的反射望远镜图解,大的为侧面照,小的是正面照

 

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 牛顿发明的反射望远镜解剖图

  1668年牛顿的第一架小型反射望远镜制成了。它的物镜是用青铜磨制的凹面反射镜,直径只有2.54厘米,镜筒长15厘米,放大倍率达40倍,观测效果不亚于2米长的折射望远镜。1672年牛顿又做好了第二架反射望远镜,长仅16厘米。他在物镜的前面装上一块倾斜45°放置的平面反射镜,当光线射到物镜上以后,先被反射到平面镜上,又被平面镜反射到镜筒一侧的目镜前聚焦,通过目镜就可以看到放大的像。
  牛顿设计的反射望远镜在英国皇家学会进行了展示,引起了巨大轰动,得到科学界的高度评价。牛顿的反射望远镜不仅彻底消除了令人厌恶的色差,而且制作起来比较容易,使用起来比较方便。从此以后,反射望远镜很快发展起来,成为光学望远镜的主流。目前世界上最大型、最优秀的望远镜都是反射望远镜。

  弗里德里希·威廉·赫歇尔爵士出生于德国汉诺威,英国天文学家及音乐家,曾做出多项天文发现,包括天王星等。被誉为“恒星天文学之父”。他先是制造反射望远镜,后专门磨制反射望远镜。
  哈德利和肖特的反射望远镜 
 

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 约翰·哈德利,英国天文学家、数学家 
 

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 哈德利制作的格里高里式望远镜

  真正制作出第一块金属抛物面镜的人是一位英国的数学家约翰·哈德利(John Hadley ,1682~1744)。他设计了一套方法,用来检测镜面聚焦的精度:制作了一个照明装置,使得只有当镜面能够把光线会聚到一点时,整个镜面才能被均匀地照亮;如果检测发现镜面某部分的照明不均匀,就着重研磨那个区域。
  这是一个漫长而困难的工作,但哈德利非常有毅力,终于在1721年制造了一架球差极小的、直径15厘米的格里高利式望远镜。成像可以媲美惠更斯设计的长达37.5米的折射望远镜。哈德利的反射主镜只比惠更斯的透镜小一点,但望远镜的长度却只有1.8米。
  英国仪器制造商詹姆斯·肖特(James Short,1710~1768)首先研究出了相当简便而精度又高的磨制抛物面镜的技术,它减少了用光学测试方法作最后修正所需要付出的劳动。他一生磨制和制作了1370架望远镜,主要是格里高里式望远镜,许多是很小的,另一些则是空前的大,直径达到45厘米,长度超过3.6米。
  哈德利和肖特的工作把反射望远镜的实验价值提到了一个新高度。使用金属镜面来反射光线,代替使用透镜折射光线,使得天文学家们能够制造出更短和更大威力的望远镜,大型反射望远镜变得越来越普及,在这方面做出突出贡献的首先是英国著名天文学家威廉·赫歇尔。
  从音乐家到天文学家的威廉·赫歇尔 
 

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 威廉·赫歇尔

  弗里德里希·威廉·赫歇尔爵士(Sir Friedrich Wilhelm Herschel,1738~1822),出生于德国汉诺威,英国天文学家及音乐家,曾做出多项天文发现,包括天王星等。被誉为“恒星天文学之父”。
  赫歇尔家共有十个兄弟妹,但其中四个早夭。其父亲多才多艺,不仅是禁卫军乐团的乐师,精通音乐,还是天文爱好者,热爱星空,熟悉星座。在父亲的影响下,他15岁就在军中充当小提琴手和吹奏双簧管,志向当一名作曲家,但又把大量业余时间用于研究语言和数学,后来还加上光学,并产生了用望远镜亲眼观察各种天体的强烈愿望。
  当时,汉诺威王朝与英国组成共主邦联。1755年威廉·赫歇尔参加的乐团被派到英国,他很快便学懂英语,并在1557年为躲避战乱而移居英国。先在利兹任音乐教师及乐团领队,后在旅游胜地巴斯任公众音乐会的总监。除演奏管风琴及双簧管外,他也编写过多首乐曲,可是大部分已被人遗忘。1772年他把小妹妹卡罗琳·赫歇尔(Caroline Lucretia Herschel,1750~1848)从汉诺威接到伦敦,帮助自己料理家务,以便使他能专心致志磨制望远镜。卡罗琳一辈子都是哥哥的忠实助手,后来她也成为颇有声望的天文学家。

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 威廉·赫歇尔制作的15厘米反射望远镜


  他在天文学上的兴趣自1773年开始浓厚,先是制造反射望远镜,后专门磨制反射望远镜。1774年他终于完成了第一架反射望远镜,直径12厘米,焦距1.7米,放大倍率40倍。1776年他一口气制作了直径分别为15厘米(焦距2米)、23厘米(焦距3米)和30厘米(焦距6米)三架望远镜。他最喜欢15厘米直径的那一架,使用起来得心应手。那时候,他主要观测月球,测量月球山峰的高度,以及编撰双星目录等。1781年3月13日,就在他观测双星时,他发现了一颗新的行星——天王星。起初他将新行星命名为“乔治之星”(Georgium Sidus)以歌颂英王乔治三世,但这个名称没有被其他天文学家接受。同年11月,他获授柯普莱勋章(Copley Medal),并获选成为英国皇家学会会员。1782年,他获乔治三世接见,并被任命为“皇家天文官”(The King's Astronomer),年薪200英镑。从此威廉·赫歇尔成为职业天文学家。
 赫歇尔的“大炮”
  赫歇尔为自己的发现和新声誉所激励,决定制造一架望远镜,其反射镜口径达1.22米,要装入12.2米长的镜筒中。英王乔治三世慷慨解囊,拿出2000英镑资助他。这是一项令世人震惊的工程,所招聘的工人多达40名。1789年,赫歇尔的得意之作在巨大的构架中竖立起来,看上去活像一尊指向天空的“大炮”。
  庞然大物的时代再次到来,不过这次不是长而是胖。反射镜的聚光本领取决于其面积,而面积又取决于其直径的平方,因此,此反射镜的聚光本领是他发现天王星的那架15厘米反射望远镜的64倍。
 

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 赫歇尔的“大炮”

  赫歇尔在制造此“大炮”时,改变了牛顿的设计,使主镜倾斜。这样,主镜直接将会聚的光束送到靠近前方镜筒口的焦点处,从而省去了牛顿式的平面副镜。这样做,可以大大减少磨镜的工作量,但也意味着天文学家必须在很高的地方进行露天观测,冒着摔下来的危险,事实上,从望远镜上摔下来的天文学家可以列出一个长长的名单。
  1787年8月的一天, 乔治三世领着坎特伯雷大主教穿过“大炮”的镜筒,同时妙语打趣地说:“来吧,尊敬的主教,让我领你去参观天堂。”投入使用的第一夜,赫歇尔就将此镜转向他最喜欢观看的土星,立即发现了两颗新土卫——土卫一弥玛斯和土卫二恩刻拉多斯,使当时已知的土卫数目增加到七颗。
  “大炮”十分笨重,很难使用。在赫歇尔的有生之年里,他一直在使用一架直径45厘米、长6米的反射望远镜,天王星的两颗卫星,就是用这架望远镜发现的,而那架1.22米直径、12.2米长的庞然大物则成为了一个旅游景点。
  赫歇尔在天文学上的其他贡献
  威廉·赫歇尔编制了详尽的“星云”列表与“双星”列表。他首先发现大部分双星并非貌合神离的光学双星,而是互相具有引力关系。从研究恒星的自行,他也首先发现太阳系正在宇宙中移动,还指出该移动的大致方向。他研究银河的结构,提出银河呈圆盘状。
  他又于1800年左右,发现阳光中肉眼看不见的红外辐射。在奥尔伯于1802年发现智神星后,威廉·赫歇尔首先将这种天体名为小行星(asteroid),意指呈恒星状的小光点。
  尽管他曾做出不少科学发现,他也不免和当时的一些科学家一样,做出过一些没有根据的猜想,例如他认为每颗行星上都有生物居住,甚至太阳也是。他认为太阳拥有一层能隔绝外层热力的云层,一些生物能适应那里的生活。

约翰·赫歇尔的南天星空观测、出身名门却钟情天文的罗斯伯爵、以大海怪命名的巨无霸望远镜、M51和M1的素描图 意义非凡的发现、罗斯伯爵冒险事业的重要成果、纳史密斯和拉塞尔对反射望远镜的改进
  约翰·赫歇尔的南天星空观测
  威廉·赫歇尔的独生子约翰·赫歇尔(John Frederick William Herschel,1792~1871)生于英国白金汉郡的斯劳,1807年入剑桥大学圣约翰学院,学业极佳,21岁便当选为皇家学会会员,他是英国天文学会理事会创始人之一。
 

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 约翰·赫歇尔于1828年所绘的M51素描

  1816年约翰·赫歇尔接替78岁高龄的父亲,承担了大量的观测工作。他在父亲的指导下,重新抛光了父亲的那架6米长的反射望远镜,这样他就有了理想的仪器,可以对父亲观测和研究过的星云进行再度观测和重新排序。1834年初他携全家前往非洲好望角,希图把父亲的巡天和恒星计数的工作扩展到南天。重新抛光的6米长反射望远镜,设立在距离开普敦几英里的费尔霍森临时天文台上。由于海风的吹拂,反射镜过几天就会失去光泽,需要重新打磨。他预见到这种情况,特地带了3面备用的镜子,其中一面是父亲磨制的,另一面是他自己磨制的,还一面是他们父子磨制的。他在那里工作了4年。历时9年编撰的《在好望角天文观测的结果》于1847年发表。为了纪念约翰·赫歇尔对科学的贡献,在他死后英国为他举行了国葬,安葬在威斯敏斯特教堂中距离牛顿墓很近的地方。
  赫歇尔家族的辉煌时代已经成为过去,更大更好的望远镜还将继续不断涌现,一位英国天文学家继承了反射望远镜的事业,决心在这方面超过赫歇尔,这就是声名卓著的罗斯伯爵。
  出身名门却钟情天文的罗斯伯爵
  威廉·帕森斯(William Parsons,1800~1867)生于英国的约克。英国与爱尔兰有错综复杂的关系,1801年英国正式吞并爱尔兰,在帝国议会中给爱尔兰100个席位,直到20世纪中叶爱尔兰才成为独立国家。这种历史渊源使不少著名人物很难简单地说成是英国的还是爱尔兰的。威廉·帕森斯的情况就是如此,他的家庭在爱尔兰拥有领地。他1822年牛津大学毕业,就进入议会呆了12年。1841年他子袭父位,成为第3代罗斯伯爵(3rd Earl of Rosse),后世的天文学家普遍称他为罗斯。1845年爱尔兰将他选入上议院。他是一位真正的贵族,在著名天文学家中,出自如此高贵门第的人极少。
 

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 罗斯伯爵的直径91厘米反射望远镜

  罗斯的最大嗜好是建造设计最大的望远镜。他花了5年时间,才研究出一种适合制造反射镜的铜锡合金。从1827年开始先后制造了直径38厘米、61厘米的反射望远镜,1840年又造出了直径91厘米的反射望远镜,后者已经几乎与赫歇尔最大的反射望远镜一样大了。这些望远镜都安置在他自家的领地上,那里的地名叫比尔,几乎位于爱尔兰岛的正中央。
  以大海怪命名的巨无霸望远镜
  1842年罗斯伯爵开始制造一块直径1.84米的反射镜,其面积是赫歇尔那架最大的望远镜的2.25倍,足以供一个身材高大的壮汉伸开四肢,躺在上面。如此巨大的镜面,制造起来谈何容易,尝试了五次才告成功。
 

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 19世纪末的比尔城堡大海怪

  在研磨镜面的同时,他又着手给镜子配镜筒,筒长17米,直径2.4米,选用厚木制成。为了挡风,镜筒安置在两道高墙之间,每道墙高17米、长22米,沿南北走向。这块反射镜重达3.6吨,把它装入镜筒,很不容易。直到1845年2月这架巨型反射望远镜才彻底安装完成,可以调试校准后即正式使用了。
  罗斯的这架巨大反射望远镜,通常以“列维亚森”(Leviathan)著称。“列维亚森”原是《圣经·旧约》中描述的一种大海怪,见《约伯记》第41章。英语中常用“列维亚森”来称呼那些庞然大物。
 M51和M1的素描图 意义非凡的发现 
 

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 罗斯的M51素描图 
 

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 罗斯的M1素描图

  为了与赫歇尔一比高低,罗斯观测了赫歇尔曾经研究过的各种星云。他发现梅西耶星表中的M51看上去像是旋涡形状的,遂使人们在1845年知道了第一个“旋涡星云”。1848年罗斯发现梅西耶星表中的头号天体M1内部贯穿着许多不规则的明亮细线,他觉得这很像一只螃蟹,因此称它为“蟹状星云”,这个名字一直沿用至今。日后的事实证明,这两项发现都具有十分重大的意义。
  罗斯伯爵冒险事业的重要成果
  最初“比尔城堡大海怪”似乎可以将天文学革命化,然而,在后来的若干年中,它却未能继续创造奇迹。从技术的角度来说,这算是一架出色的仪器,可是,由于位于爱尔兰中央的比尔气候恶劣,望远镜的操作又不方便,并且不能远离子午线朝东西方向看,因此,实际使用起来非常麻烦。那些罗斯感兴趣的特殊天体,只有当它们接近子午线的时候,才能用“比尔城堡大海怪”观看,为观测一秒钟,就必须等待24小时,而连续两次宁静度都好的观测时机几乎从来也不曾有过。
  罗斯和其他天文学家继续周期地使用“比尔城堡大海怪”前后大约有六十多年。罗斯死后四十一年,它变得摇摇欲坠而非常危险,终于被拆除下来,1914年直径1.84米的反射镜被送到伦敦国立科学产业博物馆展出。
  罗斯伯爵冒险事业达成了三个重要成果。首先,他证明建造大型望远镜是切实可行的。罗斯不像赫歇尔,他公布了他的制镜方法,其他人可以用这些作指南,并作为继续改进的基点。其次,罗斯与天气斗争的悲惨失败,清楚说明如果气象条件不配合,那么望远镜再好也没有用处。天文学家开始不仅考虑望远镜的建造,而且注意选择望远镜安装的地点了。最后,尽管可以建造庞大的望远镜,但是如果找不到能使之运转自如的、并能指向天空任何部分的办法,那么望远镜就不能被很好使用。于是又有两位英国天文学家沿着这个思路,对反射望远镜进行改进。
  纳史密斯和拉塞尔对反射望远镜的改进
  曾以1839年发明汽锤而著称的英国工程师詹姆斯·纳史密斯(James Nasmyth,1808~1890),对于制造天文望远镜也非常感兴趣。他于1845年造出直径51厘米的反射镜,把它装到一架卡塞格林式和牛顿式相结合的光路系统中(称之为纳史密斯式),望远镜则置于一个很大的转台上,他舒适地坐着,眼睛对着靠近望远镜尾部的目镜,转动一个小小的手轮,便能使望远镜指向天空的任意部分。
 

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 拉塞尔制造的直径1.22米反射望远镜

  威廉·拉塞尔(William Lassell,1799~1880)是英国的酿酒师,同时又纵情于天文学,他也想建造大型反射望远镜。就在1844年,拉塞尔参观了罗斯的比尔城堡,考察那个“大海怪”是如何制造的。他于1848年制造了一架直径61厘米反射望远镜,继而又于1863年建造了一架1.22米的。他的镜子不如罗斯的那么大,但是在另外两方面完全超过了罗斯。
  首先拉塞尔率先把夫琅和费装在折射望远镜上的那种装置用到反射望远镜上,从而使操作变得非常方便。此外,他强烈地意识到天文台必须建造在大气条件适宜观测的地方,于是把自己的仪器运到了当时的英国属地——马耳他岛。
  

      这样天文学家们获得了一种既轻又便宜的玻璃镜面,而且比金属镜面能多反射一半的光。玻璃反射镜熠熠生辉,孕育了巨型反射望远镜的时代的到来。
  新的反射镜
  从牛顿到罗斯,在反射望远镜将近两个世纪的历史中,金属做的镜子乃是前进的障碍。铸镜用的青铜易于腐蚀,不得不定期重新抛光,结果消耗了大量时间和劳动。有些金属耐腐蚀性好,却比青铜要重,而且昂贵。
 

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  玻璃重量轻,价格低廉,耐腐蚀,能够抛得很光洁,又比金属容易研磨成形。其实在早期望远镜的同时代,就已经有那种在玻璃后面贴一个金属背板类型的镜子了,就像现在家用的镜子那样。但这种镜子没法用在望远镜上,因为光线在金属背板上反射之前和之后都要通过一定厚度的玻璃,这就会使得图像变得模糊。
  1856年一名叫尤斯图斯·冯·李比希(Justus von Liebig,1803?1873)的德国化学家利用新发现的一种化学反应,实现了在玻璃表面覆盖一个薄薄的银层,从而发明了新的制镜方法——只要将银镀到玻璃上再加以抛光就可以了。那年晚些时候,德国物理学家卡尔·奥古斯特·冯·斯坦黑尔(Carl August von Steinheil,1801?1870)使用这种工艺制作反射镜,将银层涂在镜子的正面。
  第二年法国物理学家雷昂·傅科(Jean Bernard Leon Foucault,1819?1868)独立将一面10.16厘米的抛物面镜子镀上银层,他将望远镜放在了一台赤道仪上。同年傅科前往都柏林向英国天文学界宣读他的论文《银质玻璃望远镜镜片》。后来傅科还发明了测量镜面形状的更好方法,这种方法虽与早期磨镜者们使用的检测法类似,但拥有非常高的精度,磨制出正确的镜面形状变得容易了。
  这样天文学家们获得了一种既轻又便宜的玻璃镜面,而且比金属镜面能多反射一半的光。尽管银层仍然会因氧化而变黑,但重新镀银远比重新抛光金属镜面容易。玻璃反射镜熠熠生辉,孕育了巨型反射望远镜的时代的到来。
  墨尔本1.22米望远镜——最后的大型金属镜面反射镜
  1862年,澳大利亚的当局决定建造一架大型望远镜,用以研究南天的星云,在当时尚不清楚这种云雾状的天体是什么。由包括罗斯伯爵在内的天文学家和望远镜制造商组成了一个委员会来确定望远镜的设计方案。大部分的天文台都建在北半球,南天很多部分还没有被观测过,所以这架位于南半球的望远镜将能够帮助人们获得完整的天空图景。
  委员会确定了一个直径1.22米的卡赛格林式望远镜的方案。虽然在当时玻璃反射镜已经越来越普及了,委员会还是倾向于使用金属的反射镜,因为他们觉得在当地的气候条件下玻璃镜面的银镀层比金属镜面更容易氧化、分解和腐蚀,而且这样一架沉重巨大的玻璃望远镜难于操纵。
  很快他们就为当初的决定而后悔了,因为当1877年金属镜面因为严重锈蚀而需要重新抛光时,整个镜子必须运回位于爱尔兰的原来的制造厂才能做处理。于是天文台的主管自学了一番如何抛光金属镜,然后亲自动手尝试。虽然抛光成功,但是他无法精确地检测抛光后的镜面精度是否符合要求,此后这架望远镜一直未能重新正常工作。
  这架墨尔本望远镜只用了15年,而很多比它早的望远镜直到现在还能使用。这次失误标志着望远镜发展史上的一个转折点,墨尔本望远镜也成为最后一架大型金属镜面反射望远镜。这次失败的影响之大,使得此后的三十年里天文学家们都在避免建造大型反射望远镜
  天体摄影
  驱使天文学家将天文台建在高海拔地区的另一个原因是天体摄影的需要。与原来的绘图观测相比,天体摄影提供了一种迅速而客观准确地记录观测结果的方法。同时,摄影术能帮助天文学家们观测那些即便用了巨型望远镜肉眼也无法看到的暗弱天体。无论一个人用眼睛注视目镜中的星点多久,他也无法看到比他的视觉极限还暗的那些东西。但照相底片却能把照到它上面的所有光,不管有多暗,都记录下来。如果图像很暗,只要将曝光时间足够延长,就可能拍摄下来。
  天文学家发现如果把望远镜架设在高山之上,那里有非常黑暗的天空,只有星光在闪耀,周围没有其他的光亮,就可以拍摄到很多肉眼无法看到的星星和天体的照片。最终,所有的天文望远镜都开始使用照相的方式观测。现在的专业天文望远镜上已经没有目镜,代之以照相装置和其他观测设备。
  有许多其他的技术发展也改变了望远镜。天文学家们一边在原来的望远镜上安装新的仪器,一边为新的观测仪器建造新的望远镜。这些新的设备能够分解星光供天文学家们进行后续的分析研究。不久,这些仪器的性能就变得和望远镜的聚光本领和分辩力一样重要了。

  尽管折射望远镜主宰了19世纪的大部分时间,但是反射望远镜却给20世纪上半叶的天文学带来革命性变化,这主要归功于乔治·埃勒里·海尔。
  海尔的故事——“大玩具”改变天文学 
 

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  尽管折射望远镜主宰了19世纪的大部分时间,但是反射望远镜却给20世纪上半叶的天文学带来革命性变化,这主要归功于能让百万富翁掏钱的、制造光学望远镜的奇才——著名天文学家乔治·埃勒里·海尔(George Ellery Hale,1868~1938)。
  1868年6月29日,海尔诞生于美国芝加哥,父亲是电梯制造商,因工艺精湛,产品畅销全国并远销欧洲。受父亲的影响,海尔从小就对机器、工具有着难以自拔的兴趣,他总是把自己的房间搞得像个小工厂一样。有一年圣诞节,父亲送给他的礼物竟然是一架小小的显微镜,这成了他的最爱。母亲是一位很有文化品位的女性,她启发了海尔对文学和诗歌的兴趣。童年的这些经历对海尔的人生产生了很大的影响,要知道他成年后策划建造的那些“大玩具”彻底改变了天文学的面貌。
  海尔1890年毕业于麻省理工学院,1892年任芝加哥大学天体物理学副教授,开始组建叶凯士天文台,任台长。1904年筹组威尔逊山太阳观象台,即后来的威尔逊山天文台,他任首任台长,直至1923年因病退休。1895年他创办《天体物理学杂志》。1899年当选为新成立的美国天文学与天体物理学会(1914年易名为美国天文学会)副会长。
  海尔一生最主要的功绩是他连续制造了直径1.53米、2.54米和5.08米三架大型反射望远镜。这三架反射望远镜,不仅由于物镜由原来的金属材料改为用玻璃材料镀银或者镀铝制作,因而既避免了金属生锈,又提高了镜面的反射率;更为重要的是因为它们整体的现代化程度使它们操作起来非常方便灵活。直至今天,它们仍然在天文学的观测工作中发挥作用。

 

反射望远镜的发展历程 - 常大天文社 - 常州大学天文社

 
  威尔逊山的1.53米反射望远镜  
  1896年,海尔的父亲送了他一块1.53米的玻璃镜坯,有18.98厘米厚,重860千克,这是他父亲花25000美元从巴黎买回。海尔选择了海拔1800米的威尔逊山,因为那里的条件很适合天文观测,但一直到1904年他才获得卡内基基金会的赠款,来建造一座天文台。1905年望远镜镜面开始研磨,这个工程一共持续了两年。望远镜的构架是在旧金山建造的,1906年的大地震中它几乎被毁。将这些材料和零件运送到威尔逊山是一个艰巨的任务。为了将它们运到山顶还建造了一台专门的电气拖拉机。
  1908年12月8日这架望远镜正式启用。只有罗斯伯爵的“列维利亚”比它更大,但实际上无法与之媲美。考虑到威尔逊山的大气宁静度极佳,新望远镜使用起来又很方便;虽然罗斯的镜子大,聚光率大1.5倍,但是这一点已经算不了什么了。新望远镜比起“列维利亚”来简直优越得无可比拟。实际上,它确实是直到那时为止最有用的望远镜。用这架望远镜曝光4小时,即可拍摄到暗至20等的恒星,而所得到的恒星光谱也空前清晰。
  这里要特别说明的是,美国光学家、望远镜制造家和天文学家乔治·威利斯·里奇(George Willis Ritchey,1864~1945)对此望远镜的建造起了至关重要的作用。他承担了反射镜的磨制工作,第一个使用金刚砂(碳化硅)磨镜片,此种砂非常坚硬,其切削能力是以前磨镜用的刚玉砂的6倍。他又采取了很不寻常的保护措施,使磨镜室无尘而恒温。因此,制作出了误差不超过百万分之二英寸的光亮镜片。
 

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 折轴望远镜光学系统图

  里奇还设计了一种新颖的折轴光路系统,能够在望远镜之外成像,这样沉重的仪器不必再安装在望远镜的镜筒上,使得天文学家能够自由地选择合适的设备来分析星光。这架望远镜可以使用相机或光谱仪来做照相和光谱学观测。后来的许多大型望远镜都参照此架望远镜,设计成非常灵活的形式。事实上可以认为,这架1.53米望远镜是第一台现代的天文望远镜。
  1914年美国天文学家沃尔特·亚当斯(Walter Sydney Adams,1876~1956)用此反射望远镜连接上光谱仪,拍摄到了天狼星那颗暗弱小伴星的光谱,这是人类首次拍摄到白矮星的光谱,为揭示白矮星身世的秘密提供了有力的观测依据。
  1992年此望远镜上安装了一台早期的自适应光学设施,使它的分辨本领从0.5~1.0角秒提高到0.07角秒,从而重新焕发出了青春。
  让“列维利亚”相形见绌的胡克望远镜 
 

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  威尔逊山上的1.53米反射镜虽然很大,但仍无法满足海尔的雄心。他希望能有一架威力更大的望远镜。于是当1.53米反射镜尚在制造时,海尔就已经开始为2.54米望远镜筹措资金了。他成功地找到一位赞助人——洛杉矶的商人约翰·胡克(John D. Hooker),此人希望能以自己的名字命名一架有史以来最大的望远镜。
  只有一家玻璃制造商,就是曾为1.53米望远镜提供镜坯的那家法国公司,敢于尝试铸造一块2.54米直径的巨大镜坯。这的确是一次冒险,当1908年铸造好的玻璃镜坯抵达时,天文学家无疑认为这只是一块废品:玻璃内部净是气泡,部分玻璃还呈结晶状——这意味着这块镜子很可能根本经受不住研磨和抛光的加工过程。
  玻璃厂又建造了新的熔炉并继续尝试,但到最后也没有制出一块符合望远镜质量要求的镜坯。第一次世界大战爆发,工程停顿下来,没人有时间再管这件事了。
  经过这一连串的挫折,海尔又开始回头审视第一块镜坯。最终认定这些气泡离表面不太近,可能不会影响磨成的镜面。海尔又让他的助手们对镜坯进行了测试,结果发现这些气泡甚至可能会增强玻璃的强度。
  海尔把这块镜坯再次交到了乔治·威利斯·里奇手中,后者又花了五年的时间,在与1.53米望远镜同样严格仔细控制的环境中磨制成功。
  这是一架如此出色的望远镜! 它的总重达到了100吨,并像1.53米反射望远镜一样可以进行照相和光谱观测。圆顶、天窗和望远镜的所有运动由30只电动机完成。
  这架望远镜于1917年11月1日开始使用,它代替了保持冠军头衔达75年之久的罗斯伯爵的“列维利亚”,成为当时世界上最大的望远镜。胡克望远镜凭借着它的巨大的聚光力,第一次将浩瀚的宇宙展现在人们的眼前,它功勋卓著,其中最伟大的贡献就是在结束沙普利—柯蒂斯大辩论上发挥了至关重要的作用。
  沙普利—柯蒂斯大辩论
  早在18世纪,人们在夜晚的天空中发现了模糊的延伸天体,最初称为星云(Nebulae)。旋涡星云成为最早的研究对象。托马斯·赖特(Thomas Wright,1711~1786)和康德(Immanuel Kant,1724~1804)曾提出,旋涡星云可能是如我们银河系一样的恒星系统。旋涡星云是银河系之外的恒星系统,这一思想就是著名的“岛宇宙假说”。
  在1914年初,美国天文学家哈罗·沙普利(Harlow Shapley,1885~1972)开始对球状星团进行系列的研究,他观察星团中的造父变星,并利用其周期—光度关系,估计距离。他使用威尔逊山上的1.53米反射镜去研究一些最著名的球状星团的距离,1918年沙普利公布了他的研究结果:球状星团形成一种密集在银河系内的星团,这就是银河系的中心,它在人马座方向,太阳并不在银河系的中心,而是离开中心约有5万光年。自18世纪以后,包括威廉·赫歇尔等著名天文学家都把太阳当作银河系的中心,沙普利否定了这一传统看法,意义非比寻常,有人把它和哥白尼将地球赶出太阳系的中心相提并论。
  沙普利又大胆估算银河系的范围是30万光年(后来的研究证明这个数据是被夸大了,如果去除星际消光效应,银河系的直径只有10万光年),这比当时任何人想象的都大,而且银河系包括了整个宇宙。这就是说,旋涡星云不是“岛宇宙”,而是银河系内的天体。
  另一方面乔治威利斯里奇于1917年在星云NGC 6946中发现了一颗15等的新星。随后美国另一位天文学家希伯柯蒂斯(Heber Doust Curtis,1872~1942)在星云NGC4321中找到了一颗,在NGC4321中找到两颗。在里奇宣布的新发现之后两个月,天文学家共找到11颗新星,其中有三颗属于仙女座大星云。在此基础上柯蒂斯果断地迈出了决定性的一步,估计仙女座大星云距离是100万光年,后来缩减为50光年。这样就得出来仙女座大星云为河外星系的结论。
  为了对这一针锋相对争论展开更广泛的讨论,由时任威尔逊山天文台台长的海尔发起,于1920年4月26日,美国国家科学院在华盛顿的国家自然历史博物馆举办的一场著名的辩论会。沙普利和柯蒂斯作为对立的双方代表,展开了面对面的论战,这就是天文学史上有名的沙普利—柯蒂斯大辩论。这场辩论,虽然双方各自据理力争,但并未决出胜负。

来源: 太空探索杂志社供本网专稿(原载《太空探索》2009-5)

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