望远镜打开了人类认识宇宙的窗户

  常见的手持式望远镜还为减小体积和倒像需要增加有棱镜系统,棱镜系统按形式不同可分为别汉棱镜系统和保罗棱镜系统,两种系统的原理及应用是相似的。
        个人使用的小型手持式望远镜不宜使用过大放大倍率,一般以3~12倍为宜,倍数过大时,成像清晰度就会变差,同时抖动严重,超过12倍的望远镜一般使用三角架等方式加以固定。
     17世纪初的一天,荷兰小镇的一家眼镜店的主人利伯希(HansLippershey),为检查磨制出来的透镜质量,把一块凸透镜和一块凹镜排成一条线,通过透镜看过去,发现远处的教堂塔尖好像变大拉近了,于是在无意中发现了望远镜的秘密。1608年他为自己制作的望远镜申请专利,并遵从当局的要求,造了一个双筒望远镜。据说小镇好几十个眼镜匠都声称发明了望远镜,不过一般都认为利伯希是望远镜的发明者。
        望远镜发明的消息很快在欧洲各国流传开了,意大利科学家伽利略得知这个消息之后,就自制了一个。第一架望远镜只能把物体放大3倍。一个月之后,他制作的第二架望远镜可以放大8倍,第三架望远镜可以放大到20倍。1609年10月他作出了能放大30倍的望远镜。伽里略用自制的望远镜观察夜空,第一次发现了月球表面高低不平,覆盖着山脉并有火山口的裂痕。此后又发现了木星的4个卫星、太阳的黑子运动,并作出了太阳在转动的结论。
       几乎同时,德国的天文学家开普勒也开始研究望远镜,他在《屈光学》里提出了另一种天文望远镜,这种望远镜由两个凸透镜组成,与伽利略的望远镜不同,比伽利略望远镜视野宽阔。但开普勒没有制造他所介绍的望远镜。沙伊纳于1613年─1617年间首次制作出了这种望远镜,他还遵照开普勒的建议制造了有第三个凸透镜的望远镜,把二个凸透镜做的望远镜的倒像变成了正像。沙伊纳做了8台望远镜,一台一台地观察太阳,无论哪一台都能看到相同形状的太阳黑子。因此,他打消了不少人认为黑子可能是透镜上的尘埃引起的错觉,证明了黑子确实是观察到的真实存在。在观察太阳时沙伊纳装上特殊遮光玻璃,伽利略则没有加此保护装置,结果伤了眼睛,最后几乎失明。荷兰的惠更斯为了减少折射望远镜的色差在1665年做了一台筒长近6米的望远镜,来探查土星的光环,后来又做了一台将近41米长的望远镜。
        使用透镜作物镜的望远镜称为折射望远镜,即使加长镜筒,精密加工透镜,也不能消除色象差,牛顿曾认为折射望远镜的色差是不可救药的,后来证明是过分悲观的。1668年他发明了反射式望远镜,斛决了色差的问题。第一台反望远镜非常小,望远镜内的反射镜口径只有2.5厘米,但是已经能清楚地看到木星的卫星、金星的盈亏等。1672年牛顿做了一台更大的反射望远镜,送给了英国皇家学会,至今还保存在皇家学会的图书馆里。1733年英国人哈尔制成第一台消色差折射望远镜。1758年伦敦的宝兰德也制成同样的望远镜,他采用了折射率不同的玻璃分别制造凸透镜和凹透镜,把各自形成的有色边缘相互抵消。但是要制造很大透镜不容易,目前世界上最大的一台折射式望远镜直径为102厘米,安装在雅弟斯天文台。1793年英国赫瑟尔(William Herschel),制做了反射式望远镜,反射镜直径为130厘米,用铜锡合金制成,重达1吨。1845年英国的帕森(William Parsons)制造的反射望远镜,反射镜直径为1.82米。1917年,胡克望远镜(Hooker Telescope)在美国加利福尼亚的威尔逊山天文台建成。它的主反射镜口径为100英寸。正是使用这座望远镜,哈勃(Edwin Hubble)发现了宇宙正在膨胀的惊人事实。1930年,德国人施密特(BernhardSchmidt)将折射望远镜和反射望远镜的优点(折射望远镜像差小但有色差而且尺寸越大越昂贵,反射望远镜没有色差、造价低廉且反射镜可以造得很大,但存在像差)结合起来,制成了第一台折反射望远镜。

 


        战后,反射式望远镜在天文观测中发展很快,1950年在帕洛玛山上安装了一台直径5.08米的海尔(Hale)反射式望远镜。1969年在前苏联高加索北部的帕斯土霍夫山上安装了直径6米的反射镜。1990年,NASA将哈勃太空望远镜送入轨道,然而,由于镜面故障,直到1993年宇航员完成太空修复并更换了透镜后,哈勃望远镜才开始全面发挥作用。由于可以不受地球大气的干扰,哈勃望远镜的图像清晰度是地球上同类望远镜拍下图像的10倍。1993年,美国在夏威夷莫纳克亚山上建成了口径10米的“凯克望远镜”,其镜面由36块1.8米的反射镜拼合而成。2001设在智利的欧洲南方天文台研制完成了“超大望远镜”(VLT),它由4架口径8米的望远镜组成,其聚光能力与一架16米的反射望远镜相当。现在,一批正在筹建中的望远镜又开始对莫纳克亚山上的白色巨人兄弟发起了冲击。这些新的竞争参与者包括30米口径的“加利福尼亚极大望远镜”(California ExtremelyLarge Telescope,简称CELT),20米口径的大麦哲伦望远镜(Giant Magellan Telescope,简称GMT)和100米口径的绝大望远镜(Overwhelming Large Telescope,简称OWL)。它们的倡议者指出,这些新的望远镜不仅可以提供像质远胜于哈勃望远镜照片的太空图片,而且能收集到更多的光,对100亿年前星系形成时初态恒星和宇宙气体的情况有更多的了解,并看清楚遥远恒星周围的行星。


【哈勃空间望远镜】

        哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope,HST),是人类第一座太空望远镜,总长度超过13米,质量为11吨多,运行在地球大气层外缘离地面约600公里的轨道上。它大约每100分钟环绕地球一周。哈勃望远镜是由美国国家航空航天局和欧洲航天局合作,于1990年发射入轨的。哈勃望远镜是以天文学家爱德文·哈勃的名字命名的。按计划,它将在2009年被詹姆斯韦伯太空望远镜所取代。哈勃望远镜的角分辨率达到小于0.1秒,每天可以获取3到5G字节的数据。
        由于运行在外层空间,哈勃望远镜获得的图像不受大气层扰动折射的影响,并且可以获得通常被大气层吸收的红外光谱的图像。
        哈勃望远镜的数据由太空望远镜研究所的天文学家和科学家分析处理。该研究所属于位于美国马里兰州巴尔第摩市的约翰霍普金斯大学。

        历史

        哈勃太空望远镜的构想可追溯到1946年。该望远镜于1970年代设计,建造及发射共耗资20亿美元。NASA马歇尔空间飞行中心负责设计,开发和建造哈勃空间望远镜。NASA高达德空间飞行中心负责科学设备和地面控制。珀金埃尔默负责制造镜片。洛克希德负责建造望远镜镜体。

        升空

        该望远镜随发现号航天飞机,于1990年4月24日发射升空。原定于1986年升空,但自从该年一月发生的挑战者号爆炸事件后,升空的日期被押后。
        首批传回地球的影像令天文学家等不少人大为失望,由于珀金埃尔默制造的镜片的厚度有误,产生了严重的球差,因此影像比较朦胧。

北大教授谈空间红外天文观测技术的发展

作者:周武

  四大空间望远镜之一的空间红外望远镜将于8月23日发射,本报记者特采访了从事空间探测研究和教学30多年的北京大学地球与空间科学学院的焦维新教授,请他谈谈空间红外天文观测技术的发展和空间红外望远镜的技术进步点。

  空间红外观测 描绘宇宙早期的秘密

  记者:焦教授,世界各国已发射了一系列空间望远镜,为什么还要专门发一颗红外空间望远镜呢?

  焦维新:这得从红外的特性说起。人眼能看到的光称为可见光,主要集中在0.38微米~0.78微米附近的谱段内。其中又可细分为紫、蓝、青、绿、黄、橙、红七色光。那么在红光以后就没有其它光线了吗?其实不然,红光以后很长一段频率就是红外线,只是人眼看不到而已。1800年,英国物理学家赫胥尔在研究各种色光的热量时,有意地把暗室中唯一的窗户用木板堵住,并在板上开了一条矩形的孔,孔内装一个分光棱镜。当太阳光通过这个棱镜时,便被分解成彩色光带。在试验中,他突然发现一个奇怪的现象:放在光带红光外的温度计,比室内其它温度计的指示值都要高。经过多次试验,这个所谓含热量最多的高温区,总是位于光带最边缘处红光的外面。于是赫胥尔宣布,太阳发出的光线中除可见光外,还有一种人眼看不见的“热线”,这种看不见的“热线”位于红色光外侧,因而叫做红外线。

  红外线其实也是一种电磁波,其波长范围从0.78微米到1000微米。为了研究上的方便,红外线被科学家划分为三个波段,近红外:波长为0.78微米~3.0微米,中红外:波长为3.0微米~20微米,远红外:波长为20微米~1000微米。

  红外线的发现标志着人类认识自然的又一次飞跃,而航天技术的发展为红外观测呈现了一片广阔的视野。温度低于4000K的天体辐射主要集中在红外区,除了少数窗口外,地球大气层吸收了上述天体几乎所有的红外辐射。只有在天上架上高灵敏的空间望远镜才能进行空间红外观测。

  记者:空间红外观测瞄准什么呢?

  焦维新:宇宙中从微米大小的尘埃到巨大的行星,它们的温度范围是3K~1500K。在这个温度范围内,物体辐射的大多数能量位于红外区。因此,红外观测对研究低温环境,例如恒星正在其中形成的多尘恒星云和行星的卫星及小行星冰盖表面是非常重要的。

  由于宇宙尘埃粒子遮蔽了可见宇宙的一部分,而在红外波段尘埃是透明的,红外观测可探索隐藏的宇宙,探测可见光波段看不见的区域,例如我们银河的中心、恒星以及行星正在那里形成的稠密星云。

  所有分子以及固体的发射和吸收带都位于红外区域,红外可用于探测冷天体环境状态。许多原子和离子在红外的谱特征可用于诊断恒星大气层和星际气体,这些区域或是由于太冷,或是由于太多的尘埃掩盖而不适宜用可见光观测。

  空间红外观测可以追溯宇宙早期生命。宇宙膨胀产生的宇宙红移,不可避免地会使能量向长波长端移动,其移动量与物体的距离成正比。又由于光速不变,因此观测到的高红移的物体是它们处于宇宙很年轻时的状态。恒星、星系和类星体开始发射的大多数可见光和紫外辐射,现已位于红外。宇宙中的第一个物体是怎样和什么时候形成的,都可通过红外观测了解到。

  空间红外望远镜 填补空间观测的空白

  记者:美国即将发射的空间红外望远镜(SIRTF)有什么特色?

  焦维新:空间红外望远镜(SIRTF)是美国宇航局“大型观测平台”系列中的最后一台望远镜,前三台分别是哈勃空间望远镜、康普顿伽马射线望远镜和钱德拉X射线望远镜。SIRTF的发射重量为950千克,其中观测器重851.5千克,外壳重6.0千克,氦(制冷剂)重50.4千克,氮推进剂重15.6千克。SIRTF望远镜主反射镜的直径为85厘米。SIRTF最短寿命为2.5年,目标寿命在5年以上。SIRTF的轨道是“尾随地球的日心轨道”,即躲在地球后面,与地球保持同样的角速度绕太阳旋转。

  记者:哈勃空间望远镜上也配备了红外望远镜设备,这与SIRTF有什么区别?

  焦维新:哈勃空间望远镜上除了可见光相机,还有紫外和红外相机,但它的红外相机主要是针对近红外。而STIRF是专门用于红外观测的卫星,观测的波长范围在3微米~180微米。SIRTF望远镜主反射镜的直径为85厘米,是目前孔径最大的红外望远镜,可以观测到其他望远镜所不能观测到的信息。因此,SIRTF是其他三大望远镜的重要科学补充。

  记者:SIRTF上面有那些先进的科学仪器?

  焦维新:SIRTF的科学仪器有红外阵列照相机(IRAC)、红外光谱仪(IRS)和多波段成像光度计(MIPS)。其主要创新点有,红外探测器阵灵敏度是地基红外望远镜的上千倍,先进的阵列式红外探测设备可观测到超过目前任何空间天文望远镜上百万倍远的观测距离。

  红外阵列照相机是一个4通道照相机,能同时在3.6微米、4.5微米、5.8微米及8微米提供近红外和中红外图像。红外光谱仪在中红外提供高、低分辨率的光谱。它有4个独立的模块:一个低分辨率的短波长模块,覆盖5.3微米~14微米的间隔;一个高分辨率的短波长模块,覆盖10微米~19.5微米;一个低分辨率的长波长模块,覆盖14微米~40微米的间隔;一个高分辨率的长波长模块,覆盖19微米~37微米。多波段成像光度计有3个探测器阵:128×128个阵元的探测器阵在24微米成像,32×32个阵元的探测器阵在70微米成像,2×20个阵元的探测器阵在160微米成像。

  记者:为什么要采用这种“尾随地球的日心轨道”?

  焦维新:红外探测器要求在极低温度下工作,采用这种“尾随地球的日心轨道”,可使SIRTF有一个良好的热环境。SIRTF处在地球背面的拉格朗日点上,与地球保持同样的角速度绕太阳公转,并且,在围绕日心运行时,将在地球背面飘移,以0.1AU/年(1AU等于地球到太阳的平均距离,大约为1.5亿千米)的速度远离地球。因为地球不仅反射来自太阳的可见光,而且本身也发射红外辐射,任何在地心轨道运行的卫星都沉浸在温度超过250K的环境内,而漂移的日心轨道可使SIRTF进入深空,那里的环境温度大约保持在30K~40K。利用大自然作为冷却源,望远镜可携带很少的液氦,大大减轻了自身重量。

  记者:SIRTF如何保持太阳电池阵的供电问题?

  焦维新:确实,采用这种轨道会限制SIRTF的视觉:为了加热太阳帆板,望远镜不能背离太阳方向120°,但因为怕热,望远镜也不能以80°的角度观测太阳。SIRTF的观测区域面积一年会有两次极小值,持续时间大约40天。

  记者:SIRTF上携带的冷却剂数量是否就决定了它在轨的寿命?

  焦维新:对,根据设计,SIRTF带的液氦最多可支持它运行5年。

  以前的空间红外望远镜都由巨大的制冷器掩盖,以使望远镜在接近绝对零度的温度下发射,而SIRTF在环境温度下发射,通过深空环境来冷却,只有探测仪器等密封在含有制冷机的真空壳内。进入预定轨道后,需用一星期的时间使望远镜外壳冷却至50K,然后望远镜设备和外壳的热传递被切断,几个星期后,望远镜冷却至5.5K,仪器冷却至1.4K,整个望远镜就可正常工作了。

  记者:SIRTF的具体任务有哪些?

  焦维新:它的研究内容包括4个课题:寻找褐矮星和超新星;发现和研究围绕恒星的碎片盘;研究极亮的红外星系和活动星系;研究早期的宇宙。

  记者:红外天文观测为我们打开了另外一个世界,它的远景如何?

  焦维新:到目前为止,红外空间探测取得的一些成果,主要局限于太阳、行星和星际空间,由于电离氢的自由吸收,要越过太阳系探索遥远的宇宙,在技术上还有一定的困难。

  相关链接

  空间红外观测硕果累累

  1983年1月25日,由美、英及荷兰研制的红外天文卫星升空,该卫星扫描了96%的天空,大约探测到了50万个红外源。第一次揭示了银河系核的特征。

  1989年11月,美国发射了宇宙背景探测器,到1993年12月23日使命结束时,它在几个红外波长绘制了全天空亮度,发现宇宙背景不完全是平滑的,温度有小的变化。科学家推断这些变化可能导致了星系的形成。

  1995年3月18日,日本发射了空间红外望远镜(IRTS),虽然它只飞行了28天,但扫描了7%的天空,获得了星际物质和恒星及行星际尘埃的知识。

  1995年11月~1998年4月,欧空局红外空间观测台在2.5微米~240微米的谱段巡天,发现了在星际云中凝聚成恒星的“星胚”等许多细节。

参考影视:望远镜打开了人类认识宇宙的窗户