天文望远镜简史

陈若颖

人类拥有五六千年的观星历史，埃及的金字塔、欧洲的巨石阵、中国殷商甲骨文中关于日月食的描述，都是人们探索宇宙的记录。然而，在这五六千年中，人类对于星空的认识一直都停留在“点”中，通过观测与计算这些“点”的运动规律，推测出宇宙的运行法则。直到17世纪初，望远镜被发明出来，人类对宇宙才有了突破性的认识。如果把人类至今的天文学研究史比喻成一天的话，我们现如今对天文学的大部分认识，都是在拥有了天文望远镜后的两小时内获得的。

所谓望远镜，简单来说就是帮助我们收集光线和放大远处物体的东西。发明望远镜的人名叫汉斯·李波尔，是一位荷兰眼镜师。1608年的一天，两个小孩儿在他的眼镜店门口拿着两片透镜玩，他们因发现两片透镜叠在一起就能放大远处的教堂而十分开心。汉斯受到启发后苦心钻研，在无数次的失败后，终于制作出能够清晰放大远处物体的工具——望远镜。望远镜被发明出来后，人们只是用它来看远处的人或风景，并没有将它对准星空。而将望远镜发扬光大，应用于天文学研究的是意大利著名物理学家、天文学家伽利略·伽利雷。

折射式望远镜

1609年，伽利略听说有位荷兰人发明了一种能放大远处景物的工具，便在还未见过实物的情况下，利用风琴管、一片凹透镜和一片凸透镜制作出了他自己的第一架望远镜。之后，他又经过数次改造，制作出了更清晰、能够将物体放得更大的望远镜，并第一次将它对准夜空中的天体。他看到了月球表面崎岖不平的环形山，通过观测了解到银河系是由无数颗恒星构成的，还发现了太阳黑子、金星盈亏、木星的四颗卫星。伽利略把这些惊人的发现写进了《星际使

者》和《关于太阳黑子的书信》两本书中，从此天文学从裸眼观测时代进入了望远镜观测时代。不仅如此，四颗木星卫星的发现也给当时流行的“地心说”带来了很大的冲击，促进了“日心说”的传播。后来，为了纪念伽利略的贡献，这四颗卫星被合称为伽利略卫星。

反射原理

为什么伽利略可以仅利用一片凹透镜和一片凸透镜就制作出能看清木星卫星的望远镜呢？这其中的原理是什么呢？首先，我们要了解光的传播原理。当光穿过玻璃时，会产生两种效应——“反射”和“折射”。在发生反射现象时，我们可以把光想象成弹力球，光就像被斜着扔向地面的弹力球一样，斜着射向玻璃表面的光会以一定的角度被“反弹”出去。

折射原理

相比于反射，折射会更复杂一些。大家可以想象，我们在水泥地和沙滩上跑步的感觉不同，那是因为摩擦力不同。对于光来说，折射率就相当于“摩擦力”，它决定了光在进入不同介质（比如空气、水、玻璃等）时的弯曲程度。就像我们从水泥地跑到沙滩时脚感受到的摩擦力肯定会发生变化，光在进入不同介质时，本来应该沿着直线走，却因为“摩擦力”变化发生了弯折，这个现象就叫“折射”。

伽利略式望远镜示意图

人们发现，经过折射，凸透镜可以将远处的平行光线汇聚到一个点上，凹透镜则可以将远处的平行光线发散开来。那么，如果利用一片凸透镜来收集远处的光线，再用一片凹透镜将收集到的光线发散出去，这样通过选择合适的透镜、设置好透镜之间的距离，是不是就能放大远处的物体了？伽利略就是这么想的。他用一个凸透镜做物镜，并在物镜后放一个凹透镜作为目镜，制成了他的第一架望远镜。后来人们便把这类结构的望远镜统称为伽利略式望远镜。这类望远镜的优点是看到的物体为正像（即眼中看到的物体上下左右没有翻转），但缺点是适眼距较差（即观测时对眼睛与目镜之间的距离要求很高，如果眼睛距离目镜稍微近或远一点儿，就会看不清且很不舒服）。

后来，开普勒在伽利略式望远镜的基础上，利用两片凸透镜设计了一款“开普勒式望远镜”。他在物镜之后放一个由凸透镜制成的目镜，便成功解决了适眼距的问题。但因為光线是汇聚后再经过目镜的，从物镜上端进入的光反而会从目镜的下端射出，这样望远镜中成的像就是倒像（即上下颠倒，左右相反的像）。由于结构简单、质量轻，并且视线方向和天体所在方向一致，容易寻找天体，很多入门级的望远镜都采用了开普勒式望远镜的构造。后来，人们将伽利略式和开普勒式这样利用折射光线达到放大效果的望远镜统称为折射式望远镜。

开普勒式望远镜示意图

在创造出折射式望远镜后，人们想的肯定是如何继续改造望远镜，使其观测得更远、更清晰。这时人们首先想到的就是增加望远镜的口径。因为口径越大，远处的天体就能被放得更大。但是，随之而来的是，望远镜的口径越大，它的质量就越大，这就会使望远镜很难支撑。不仅如此，折射式望远镜还有一个很大的缺点——色差。我们通过光的色散实验可以看到，由于不同颜色的光折射率不同，所以三棱镜可以把白色的光束分解成七种不同颜色的光。折射式望远镜的物镜也一样，它也会把收集到的白光在镜筒中“分解”，形成最外围是红光、最内层是紫光的锥形光束。这样一来，折射式望远镜的口径越大，它分解出的红光和紫光离得就越远，人在目镜中看到的图像色差就越大。由于大口径折射式望远镜的观测效果不佳，渐渐地，它就走下了历史舞台。现存世界上最大的折射式望远镜保存在美国芝加哥大学叶凯士天文台中，它是1897年建造的，口径只有1.02米。

色散和色差示意图

反射式望远镜

牛顿式反射望远镜示意图

为了减少色差并获得更优良的性能，英国物理学家、天文学家牛顿在1668年抛弃了传统折射光线的设计方式，利用反射光线的原理，成功制作出第一架反射式望远镜。他在望远镜的镜筒底部装了一块曲面的反射镜作为主镜，用于将收集到的光线全都反射到副镜上，而副镜则是一块斜放的反射镜，可以把光线都反射到目镜中。反射式望远镜的特点是它把目镜放在了靠近镜筒前端的侧面。因此，我们仅从外观上就能将它与折射式望远镜区分开。但也因为它的副镜位于镜筒前端，所以可能会阻挡一部分进入镜筒的光线，对观测到的图像亮度会有部分影响。因为没有折射光线，所以反射式望远镜不会产生色差，且因为光线只是被镜面反射，并不需要穿过主镜和副镜，所以对镜面材料的要求不是很高。这种将光线反射的设计，可以缩短望远镜的长度，有效地减小大口径望远镜的体积。这些优点使得反射式望远镜造价低廉且便于制作，受到了极大的欢迎。

在牛顿之后，还有几位科学家对反射式望远镜进行了改良，制造了卡塞格林式、格里高利式等其他同样利用反射曲面设计的反射式望远镜。但在小型望远镜中，应用最广泛的仍是牛顿式反射望远镜，很多业余级的小型望远镜采用的都是这种设计。

天文台

威尔逊山天文台

随着望远镜口径越来越大，用人力来控制一架大型望远镜的运转已经十分困难。因此，将望远镜固定在地面上，通过电脑控制机械系统来操纵望远镜运转的天文台诞生了。世界上第一架现代大型反射式望远镜是1908年在美国天文学家乔治·埃勒里·海尔的领导下设计制造的。这架位于美国加利福尼亚威尔逊山上的望远镜，首次拍到了天狼星伴星的光谱，并确认它是一颗白矮星。10年之后，威尔逊山上又装配了一架以投资者胡克命名的、口径为2.54米的望远镜。1924年，爱德文-鲍威尔·哈勃正是利用这架望远镜，测量了仙女座星系与地球的距离，结束了长达两百年的“宇宙岛”之争，确认了宇宙中并不只有银河系这一个星系。

胡克望远镜

折反射望远镜

但是反射式望远镜并非完美无缺，它也有诸多问题，如成像不在平面上、目镜中看到的物像变形等。为了解决这些问题，德国光学家施密特做出创造性的假设：如果把折射式和反射式两种结构结合起来，取长补短，是不是就能更完美？他通过添加一块改正镜，在1931年设计出了性能更加优良的折反射望远镜。他设计的望远镜除了有一块用于折射光线的凸透镜外，中间还添加了一块曲面的改正镜来反射光线。改正镜需要非常精细的做工，对技术材料等都有很高的要求。我国目前最大的一架折反射望远镜，同时也是口径最大的光学望远镜——大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（简称LAMOST），就在国家天文台河北兴隆观测基地中。它的口径为4.16米，是一架可以对大范围的天空进行長时间跟踪分析的巡天望远镜。在2010年，它被正式命名为“郭守敬望远镜”。

折反射望远镜结构示意图

射电望远镜

甚大射电望远镜阵列

我们知道，光其实是一种电磁波，我们平时所能看到的“可见光”只不过是整个电磁波波段的一小部分，还有如射电（无线电）、X射线、红外等其他波段。而前文介绍的所有望远镜都是光学望远镜，只能接收到可见光波段的天体辐射。因此，仅利用光学望远镜探测宇宙无异于盲人摸象。随着望远镜技术的不断发展，人们已经不满足于只在可见光范围内探究宇宙了。于是，全波段天文学开始发展起来。但是，在地球上对其他波段的探测困难重重。地球那个厚厚的大气层帮助我们抵御了来自宇宙的辐射和小天体的攻击。同时，也恰恰是这个大气层，反射和吸收了部分波段的辐射，让它们无法到达地面。而那些能成功到达地面的辐射，就形成了三个能够让我们在地球上观测的窗口——光学窗口、射电窗口和红外窗口，我们将它们统称为大气窗口。然而在大气窗口之外的那些电磁辐射，我们就只能到大气层外去观测了。

为了观测可见光，人类发明了折射式、反射式、折反射望远镜：同样，为了观测射电辐射和红外辐射，人类发明了射电望远镜和红外望远镜。

电磁波波谱和大气窗口示意图

虽然射电窗口一直存在，但直到1932年，美国贝尔研究室的无线电工程师卡尔·央斯基才发现了来自银河系中心的射电辐射。这一发现标志着射电天文学的诞生，从此，人类探索宇宙的手段又增加了一种。

FAST

与光学望远镜相比，射电望远镜具有全天候观测的能力。因为射电波不会受到太阳光的影响，也能穿透厚厚的云层，所以不论白天黑夜、阴天下雨，它都能被正常观测到。我国2016年建成的500米口径球面射电望远镜（简称FAST）是目前世界上最大的单一口径射电望远镜。

与射电望远镜相比，红外望远镜受限就多了。它需要使用特殊的红外敏感材料才能获取图像，而且为了避免周边环境和望远镜本身发出的红外线对观测的影响，还需要把探测器甚至是整个望远镜都放到-196℃以下的低温环境中。

空间望远镜

随着望远镜口径的增大和观测质量的提升，为望远镜选取天文台台址的要求也逐渐增加，晴天数、干燥程度、大气厚度等因素都十分关键。天文台逐渐从市内迁向市郊、高山、远海，最终科学家们盯上了太空这块得天独厚的辽阔领域。

哈勃空间望远镜

被发射到太空的空间望远镜，不需要受到白天黑夜的观测限制，完全摆脱了地球大气的影响;也不需要考虑大气窗口的问题，可以进行全天候全波段的天文观测。并且因为几乎没有重力的约束，所以不需要很复杂的支架系统。地面上四五米长的望远镜，镜筒加上支架系统重量可达百吨，相比起来，空间望远镜更加省時省力。

找到了太空这个最优越的天文观测场所，人们开始了空间天文学的发展之路。空间天文学也成为继光学天文学和射电天文学之后，天文学发展史上的第三座里程碑。最著名的空间望远镜要数哈勃空间望远镜了，它是以美国天文学家爱德文·鲍威尔·哈勃的名字命名的。它的口径虽然仅有2.4米，却创造了数不清的成就。从1946年开始初步构思到1990年4月24日被发射升空，哈勃空间望远镜的研发和发射因预算、技术等问题不断被推迟。甚至由于加工过程中一道工序的疏忽，在发射上天并向地面传回第一组照片后，科学家们才发现它成了“近视眼”。1993年12月，美国国家航空航天局（NASA）又派出奋进号航天飞机和7名航天员进入太空为“哈勃”更换了新镜片。今年，哈勃空间望远镜将迎来它的30岁生日，在这30年中，它帮助科学家们更准确地估算出宇宙的年龄，提供了研究太阳系外围天体的更好机会，并拍摄了迄今为止最清晰的深空图像。由于设备老化以及望远镜技术更新等问题，NASA在2009年对超期服役的哈勃空间望远镜进行了最后一次维修，未来将会由詹姆斯·韦伯空间望远镜代替它继续帮助科学家探索宇宙。

随着天文望远镜技术的发展，夜空中的一个个星点逐渐清晰起来，黑暗无边的宇宙也渐渐呈现出更加丰富壮观的景象。我们常说“探索宇宙”，但如果没有越来越先进的天文望远镜，探索宇宙根本无从谈起，因为我们人类不可能时刻徜徉于宇宙之中，捕捉各种电磁信号。你看，此时此刻，无论是地球上还是宇宙中，正有数不清的天文望远镜在持续不断地“巡天探索”，帮助我们搭建通往宇宙之路！

哈勃空间望远镜拍摄的深空图