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[科技]望远镜400年 改变人类宇宙观
作者:卞毓麟 苏定强等

《新华月报(天下)》 2008年 第12期

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       1608年,一个荷兰眼镜商发明了第一架小望远镜。次年,伽利略用自制的望远镜第一次观测星球,从此人类踏上了探索宇宙的新征程。400年来,凝聚了人类雄心勃勃的追求与智慧,望远镜从小口径到大口径,从光学望远镜到全电磁波段望远镜,从地面望远镜到空间望远镜……不仅使天文学发生了革命,而且深刻地影响了其他科学的发展,乃至整个人类社会的进步。
       “天外有天”
       在伽利略之前,沉迷于夜空世界的天文学者只能用他们的肉眼来观察天空。伽利略自制的望远镜所放大的倍率在今天看来小得可怜,但在人类科学史上却引发了一场革命。
       人类对天空的关注同文明的历史一样久远。为了知道日期,季节,何时播种,何时过冬,人们总是仰望苍穹,从闪闪的星空寻找答案。为了便利地观测天象,古代天文学家修建了观象台,借助各种记录天体方位的仪器,记下了他们所看到的日月星辰的位置、运动以及日食、彗星,新星等特殊天象。
       观测天象不仅有实用的目的,更重要的是星空从来都是人类好奇心和想象力的源泉。
       1608年,荷兰人里帕席发明了一种奇妙的“光管”能够把远处物体放大,并为此申请了专利。
       1609年,意大利物理学家伽利略听说此事后,经过研究独立制成一架口径4.4厘米,长1.2米,放大率32倍的望远镜。当他把望远镜指向天空时,很快就发现银河原来由数不清的星星组成,月亮并不是亚里士多德所说的那样完美。
       望远镜的威力来源于它收集光线的面积远远超过人眼的瞳孔,望远镜口径越大,看得就越远,也越清楚。这就是后来望远镜越做越大的原因。
       英国科学家牛顿使天文学发生了一场革命,他发现了万有引力定律和光的色散,发明了镜筒短、无色差、后来成为主流的反射式望远镜。100年以后,威廉·赫歇尔用自制的望远镜发现了天王星,他还建成了当时世界上最大的反射望远镜,首次通过观测证实了银河系的恒星呈扁平状分布。
       后来在爱尔兰,罗斯伯爵三世又建了一个更大的望远镜,1845年它被建在比尔城堡的两面石墙之间,正是这架望远镜发现了第一个不是模糊一团,而是有结构的星云。
       19世纪中叶以后,随着科学技术的发展和工艺制造水平的提高,使人们建造大型精密的望远镜成为了可能。天文观测水平相应大幅提高,天文学家发现水星近日点运动中存在牛顿力学无法解释的部分。电磁现象的研究也使经典物理学的绝对时空观遇到了前所未有的困难。时代造就了天才的爱因斯坦,他提出的狭义相对论和广义相对论,对20世纪人类科学的飞速发展产生了深远影响。
       19世纪末20世纪初,天文学还得到了两个革命性的工具,一个是光谱学,通过分析天体的光谱人们就可以知道它的物理性质、化学组成和运动速度。另一个是照相术,它比目测更具积累性和客观性。1920年代,埃德温·哈勃正是借助这两种工具,从威尔逊山的2.5米望远镜中发现,仙女座星云其实是由大量恒星组成的,而且距离远远超过银河系的尺度。人们终于知道银河系外“天外有天”的事实了。
       三次飞跃
       哈勃为现代宇宙学奠定了观测基础;射电望远镜的发明,为如同被关在黑屋子里窥探外界的人类打开了一扇大窗;而空间望远镜的发射,更激发了无数人对探索宇宙的渴望。
       1929年,哈勃在威尔逊山天文台观察了18个星系的光谱,发现都明显向红端移动,说明这些星系都在以极大速度离我们而去,而且星系离我们越远,退行速度越快,这意味着宇宙正在膨胀。哈勃的这一重要发现,为现代宇宙学奠定了观测基础。
       哈勃的成就激励了全世界建造更大望远镜的决心,可是一个偶然的发现,改变了人们建造望远镜的思路。
       1932年,美国贝尔电话公司的卡尔·央斯基为了要找出无线电长途电话的干扰来源,无意中发现了来自银河系中心的无线电波,天文学家对宇宙无线电波产生了兴趣。
       第二次世界大战是人类的劫难,但是战争也促进了军事技术的革新,从而带动了科学的进步。1942年2月,他们发现雷达信号会受到来自太阳黑子和耀斑的干扰。这样,战后雷达变身为射电望远镜,给天文望远镜的发展带来了第二次飞跃。
       在过去几百年中,天文观测仍脱离不了“可见光”的范围。事实上除了可见光之外,宇宙仍存在着各种射线如γ射线、X射线、紫外线、红外线和无线电波如长波、短波及超短波等等。仅无线电可以观测的有效波长区就是可见光的109倍。人们形容用可见光的波长来观测宇宙,就如同被关在黑屋子里的人从门缝看房子外面的一切。射电望远镜的发明,犹如给这间黑屋开了一扇大窗子。
       不过由于地球大气的影响,大部分短波长的紫外线及X射线无法到达地面。为了要观测它们,唯一的办法是到大气层外去。航天技术给望远镜带来了第三次也是最彻底的一次飞跃。
       1970年12月美国天文学家贾可尼领导发射了一个名为“自由号”的X射线卫星,随着它和后来的“爱因斯坦天文台”发射升空,数千个新的X射线源被发现,而这些发射X射线的天体中,便包含着宇宙中最神秘的“黑洞”现象。
       下一个具里程碑意义的空间望远镜发射于1990年4月25日,由美国宇航局主持建造的巨型空间天文台——口径2.4米、工作波长从紫外到近红外的哈勃空间望远镜,由航天飞机运载升空。它耗资30亿美元,是目前所有天文观测项目中规模最大、投资最多、最受公众注目的一项。
       哈勃空间望远镜不仅取得了丰硕的科学研究成果,还以它拍摄的令人称奇的宇宙照片激发了无数人对探索宇宙的渴望。
       地面望远镜的发展也在一日千里地进步,为了随时校正镜面的重力和温度变形,镜面背后安装了一排排计算机指挥的传感器。而位于智利的由4台8米望远镜组成的VLT望远镜,甚至在激光星的帮助下,使镜面产生相应形变来补偿大气扰动的影响。这些称为“主动光学”和“自适应光学”的新技术使望远镜的分辨率达到和空间望远镜媲美的水平,使人类的视野能够达到遥远的宇宙边缘。
       未来“巨无霸”
       现在仍在空间轨道上运转的望远镜,如哈勃、斯必泽、钱德拉等,仍然会不断取得令人惊叹的数据。而未来的太空望远镜,在得到“自适应光学技术(AO)”支撑的时候,将迎来巨无霸时代。
       400年来,望远镜的巨大进步不断扩展着我们的视野,引导了人类宇宙概念的革命,推动了科学技术和社会的发展。
       21世纪,人类又有了更新更宏伟的望远镜建造计划:
       大麦哲伦望远镜(GMT)
       由美国的华盛顿卡内基研究所等8个单位与澳大利亚国立大学合作的望远镜计划,由7面8.4米口径反射镜片构成,每一个镜片的大小都与已在使用的大双筒望远镜(LBT)的相同。
       当24.5米口径的GMT把所有的光都集中起来时,其光力相当于其前辈、智利拉斯康帕纳斯天文台6.5米口径Walter Baade望远镜和Landon Clay望远镜所能达到聚光力的11倍。使用了自适应光学技术后,其探测暗弱天体的速度要快出130倍。
       30米望远镜(TMT)
       下一个十年的中期,拥有492个巨大组件的30米望远镜(TMT)睁开它的巨眼的时候,它能收集到比10米凯克望远镜强9倍的星光,拍摄的天体星等更要暗上2.5等(也就是10倍),分辨率则要高出3倍。
       TMT的主要目标是在近红外波段用前所未有的精度穿透宇宙深处。巨大的薄镜面阵列将巧妙排列以便可以使用自适应光学技术。TMT的分辨率将达到哈勃望远镜的10倍。
       欧洲超大望远镜(E-ELT)
       它巨大的镜面跨度42米,由906块六边形的小镜片组成。它是100多位欧洲南方天文台(ESO)天文学家集体智慧的结晶,估计“开光”要到2017年。
       欧空局100米望远镜计划
       欧洲空间局计划投资10亿欧元建设口径100米,聚光面积大于6000平方米的世界上最大的光学/红外望远镜。
       中国研制中的大型望远镜
       目前世界上最大的单口径射电望远镜是美国建造的口径305米阿雷西博望远镜,而中国准备利用贵州天坑建设口径500米,比阿雷西博更大、技术更先进的FAST望远镜。建成后,它将成为世界上规模最大、灵敏度最高的单口径射电望远镜,预计2014年投入使用。
       (摘自10月20日《文汇报》本文资料由中科院国家天文台资料提供)
       相关链接
       建造巨型光学天文望远镜的最大挑战
       建造巨型光学天文望远镜最大的挑战是磨制巨大的高精度光学镜片,望远镜的镜片越大,功能就越强,为了看得更远更清晰,巨型望远镜的制造者们将磨制巨镜的工程学发展到了极限,他们追求巨镜又要维持精确的形状,让光线正确地聚焦,而做到这一点极为困难,因为大镜片和精确的形状原是相互矛盾的,在夜间观测温度逐渐下降的情况下,镜片的玻璃会收缩,且薄的部分收缩得快,导致镜面变形,镜片的直径愈大,形状就愈难以保持精确,影像愈容易扭曲,为此天文学家常常采用各种新型材料:耐热玻璃、玻璃陶瓷和石英等,用它们制作的镜片一般不易变形。
       一旦镜片的直径变得过大,维持镜片的刚度也会变得越来越困难,人们不得不将镜片厚度依比例放大,镜片重量也因此成倍增加,承载系统变得巨大无比且费用高昂,要解决这个难题,科学家们必须选择较薄的镜片。日本科学家在制造昴星团望远镜时在镜片背面安装了活动支撑系统,利用升降装置使镜片保持正确的形状,镜片由390个活动支架支撑,电脑每秒发出10次指令检查镜片的形状,一旦发现镜片变形,就利用活动支架的升降保持镜片的正确形状。
       另一种方法是将整个镜片改由许多小镜片组合而成,这种方法也需要一套系统控制镜片的方向,使镜片维持连续完整的形状。例如凯克望远镜的整个镜片由36片六角形的镜片组合而成,每片镜片因所在位置不同而形状各异,所以研磨和安装至关重要,否则难以使整个透镜成为一种能清晰聚焦的抛物线形状。凯克望远镜口径10米,计算机一刻不停地监控所有的镜片,每秒钟对镜片的状态调整两次以保证镜片的形状精确无误。(张唯诚)