[doc] 天文学的巨镜时代——纪念人类发明望远镜400周年

[doc] 天文学的巨镜时代——纪念人类发明望远镜400周年 天文学的巨镜时代——纪念人类发明望远 镜400周年 天文学的巨镜时代 —— 纪念人类发明望远镜400周年 1 威尔逊山天文台位于加利福尼 亚海拔1742米的威尔逊山上,它的 首任台长是美国天文学家乔治?E? 海尔(GeorageElleryHale,1868— 1938),19l7年,海尔在那里主持建 造了胡克望远镜fHooke0,口径2.5 米.是当时世界上口径最大的天文 望远镜.1948年.帕洛马山天文台 的海尔望远镜(HaleTelescope)取代 了胡克望远镜的地位,成了世界第 一 巨镜.海尔望远镜的口径5米,比 胡克望远镜翻了一倍,出现时间比 胡克望远镜晚31年.1993年,比海 尔望远镜又强大一倍的凯克望远镜 fKecktelescope1出现在了夏威夷的 莫纳克亚火山上.凯克望远镜有两 架,口径为10米,巨大的镜面由36 个六边形的小镜片组成.每片小镜 的直径为1.8米. 莫纳克亚火山海拔4205米,那 里也是其他几个世界顶级巨镜的安 身之所.昴星团望远镜fSubaru Telescope)属日本国家天文台,落成 于1999年.口径8.2米,建成时是世 界上最大的单镜面光学望远镜.同 年落成于此处的巨镜还有双子北方 望远镜(GeminiNorth1,口径8米,负 责用可见光和红外线巡视北方的星 空.在红外线波段.双子北方望远镜 甚至能解析连哈勃望远镜都难以看 清的天体 双子北方望远镜的姊妹镜是双 子南方望远镜(GeminiSouth),安设 在南半球智利的欧洲南方天文台, 负责巡视南方的星空.欧洲南方天 文台是欧洲天文学家在南半球共同 建立的天文台.始建于1962年,那 里最令人惊叹的巨镜是甚大望远镜 fTheVeryLargeTelescope1,它坐落 在智利安托法加斯塔以南130千米 的塞罗?帕瑞纳山上.那里气候干 燥,夜空晴朗,海拔2632米,非常适 合天文观测.甚大望远镜由4台8.2 米口径的望远镜组成,组合使用威 力倍增,其收集到的光线可等同一 架口径16米的单筒光学望远镜.透 过甚大望远镜的巨眼.天文学家们 将炽热的星云,垂死的恒星和遥远 的星系尽收眼底,令人无限震撼. 在亚利桑那州.大双筒望远镜 fLargeBinocularTelescope)经过8年 的和建造坐落在了海拔3190 甚大望远镜 ?张唯诚 米高的格雷厄姆山上,那里远离大 城市的灯光.水汽和尘埃极为稀少, 是非常理想的观测地点.大双筒望 远镜耗资1.2亿美元,两个凹镜安 装在一个整体上,直径都是8.4米, 可同时对准要观测的目标天体,亦 可单独使用.大双筒望远镜的第一 个镜片架设于2004年,第二个镜片 于2008年落成,借助光线干涉原 理,它获得的图像可达到与直径23 米镜片相同的清晰度.大双筒望远 镜拍摄到的第一张图片是距地球 1.02亿光年的NGC2770星系.科学 家认为.这架望远镜的聚光能力和 清晰度都远超过了哈勃太空望远 镜. 目前,世界上最大的地面望远 镜是位于西班牙帕尔马加那群岛上 的加那列大型望远镜(Gran TelescopioCanarias1,其口径达10-4 米,也是由36个六角形镜面组成. 直到2008年8月,它的镜片组装才 最终完成. 回顾巨型天文望远镜发展的历 史,它们的口径似乎在遵循着自己 的”摩尔定律”:下一代望远镜总比 上一代望远镜大一倍,而且间隔的 时间长达几十年.按照这样的规律. 凯克望远镜和加那列大型望远镜的 下一代望远镜应该是20米口径.并 且要在2025年以后才会诞生,然而 今天的天文学家们已经不耐烦遵循 望远镜发展的所谓”摩尔定律”了, 他们正在智利拉斯坎帕纳斯天文台 附近建造新一代巨镜——大麦哲伦 望远镜fGiantMagellanTelescope), 这架望远镜将由7片镜面拼合而 成.每片镜面的直径为8.4米.实 际口径达24.5米,几乎是凯克望 远镜的2.5倍,大麦哲伦望远镜耗 资5亿美元.预计2016年正式投入 使用. 然而,看来大麦哲伦望远镜在 世界光学望远镜的霸主地位上也不 会呆上很久,因为2010年之后.南 方天文台的科学家们将开始建造一 座更大的望远镜——欧洲极大望远 镜fExtremelyLargeTelescope1,它的 口径预计达到42米,工期10年.耗 资上1O亿欧元.而另外一架口径为 100米的绝大望远镜(Overwhelming LargeTelescope)也曾在人们的构想 之中,它由3048个直径1.6米的透 镜拼接而成!可观测距离为哈勃望 远镜的40倍,分辨细微星体的能力 为哈勃望远镜的一千倍,由于耗资 太大,科学家们选择了更加切实可 行的计划.所以绝大望远镜的问世 已成悬疑,假若这个梦想能付诸实 现.南方天文台将成为这架巨镜的 安身之所. Z 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,它能捕捉到 的光线就越多,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 凯克望远镜 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: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.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.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. 大麦哲伦望远镜由七片镜片拼 合而成,每片镜片的直径为8.4米, 一 片镜片位于中间,其他六片均匀 哈勃望远镜拍摄的鹰状星云 地分布在周围,整个布局像一朵盛 开的菊花.科学家在制造这架望远 镜的镜片时将20吨玻璃液均匀倒 人一个表面分布着成千上万个小陶 瓷光纤的蜂巢状容器中,玻璃在温 度高达l260摄氏度的旋转熔炉中 熔化后流人下层容器,同时旋转产 生的离心力把多余的玻璃液体分离 出去,形成一个凹面镜坯.待镜坯冷 却后.科学家们把蜂巢容器撤去, 用研磨设备打磨镜面.镜面的磨制 要求十分精确,表面要非常平整. 地面望远镜的优势有目共睹. 由于口径巨大,强大的聚光力成为 地面望远镜的最大长处,然而在解 像度方面地面望远镜还是不及太空 望远镜,太空望远镜在大气层之上, 可避免大气折射和散射的影响,解 像度非常好.哈勃望远镜口径虽然 只有2.4米,但它却能辨别相差只 有0.1秒弧的两颗星星,这相当于 在100千米以外分辨两个相距5公 分的小灯泡.哈勃望远镜能看到星 系从极为遥远的地方发出的光,那 是它们在几十亿年以前发出的.20 世纪70年代,美国航天局实施”大 型观测台”计划,发射一系列大型太 空望远镜以在所有波长上对宇宙实 施观测.这项计划由4台太空望远 镜组成,除哈勃望远镜外,还有康普 顿伽马射线观测~(ComptonGamma RayObservatory1,钱德拉X射线太 空望远镜fChandraX—ray Observatory1和斯皮策太空望远镜 fSpitzerSpaceTelescope).钱德拉X 射线太空望远镜是为了观察来自宇 宙最热区域的X射线而设计的,于 1999年7月23El被”哥伦比亚号” 航天飞机送人太空.钱德拉X射线 太空望远镜的分辨率高,集光能力 强.能精确地把光谱分解成不同的 能量成分.所获得的高能X射线数 据有利于人类对黑洞,碰撞星系和 超星遗迹的进一步认识,从而加 深人类对宇宙起源和演化过程的了 解,这架望远镜造价极为高昂,为 l5.5亿美元.加上航天飞机发射和 在轨运行的费用.项目总成本高达 28亿美元.它是迄今为止人类建造 的最为先进,也最为复杂的太空望 远镜.斯皮策太空红外望远镜发射 于2003年.是”大型观测台”计划中 最后一台进入太空的望远镜.望远 镜以已故普林斯顿大学天体物理学 家莱曼?斯皮策fLyman.Spitzer)的名 字命名,他被认为是20世纪最有影 响力的科学家之一.上世纪40年 代,斯皮策首先提出把望远镜放入 太空以消除地球大气层遮蔽效应的 建议,这直接导致了哈勃太空望远 镜和后来的一系列太空望远镜的诞 生.斯皮策太空望远镜的红外探测 灵敏度极高,能穿透尘埃,气体,看 到其背后隐藏的无限奥秘,能探测 到茫茫宇宙中那些比较难以感知到 的天体,是天文学家探索深空奥秘 的太空慧眼. 3 正在筹建中的詹姆斯?韦伯太 空望远镜JamesWebbSpace Telescope)是计划中的下一代红外 线观测用太空望远镜.以詹姆斯?韦 伯的名字命名.1961年至1968年, 詹姆斯?韦伯担任美国航天局第二 任局长,其间主持了一系列重要的 钱德拉X射线太空望远镜 空间探测项目,包括阿波罗计划等. 詹姆斯?韦伯太空望远镜将作为哈 勃太空望远镜的后续镜于2013年 或者更晚一些时候发射升空.和哈 勃望远镜相比,韦伯太空望远镜个 头巨大,重6.2吨,主镜直径达到了 6.4米,由18块六角形的镜片组成, 发射后这些镜片会在微型电动机和 波面传感器的控制下自行展开.韦 伯太空望远镜有一个巨大的可折叠 的遮光板,大小相当于一个网球场, 其作用是在距地面150万千米的冷 真空环境下屏蔽干扰光源,保护望 远镜免受太阳的影响. 韦伯太空望远镜的轨道与哈勃 太空望远镜大不一样,哈勃太空望 远镜运行于距地表大约600千米的 较低的轨道上.而韦伯太空望远镜 则将在距地球150万千米的地方环 绕太阳运行,那里处于太阳和地球 之间的第二拉格朗日点上,第二拉 格朗f3点是18世纪法国数学家拉 格朗13推导证明一个引力平衡点. 在那个地方.韦伯太空望远镜受到 太阳和地球引力的制衡而基本保持 相对静止.所以韦伯太空望远镜相 对于地球和太阳的位置是保持不变 的,这样就用不着频繁地进行位置 修正,可以更稳定地进行观测,也远 离了地球附近灰尘的影响. 今天,”哈勃”,”斯皮策”和”钱 德拉”这样的太空望远镜已经向我 们提供了空前美丽的宇宙景象,那 么在未来,像詹姆斯?韦伯太空望远 镜这样的下一代巨镜又会使我们看 到什么呢?科学家预计.韦伯太空望 远镜可能会将人类的视线延伸到宇 宙遥远的边缘,使我们看到宇宙初 期的状态.人类因此得以回望一百 几十亿年前宇宙初开时的情景,一 些天文学家还希望通过韦伯太空望 远镜更仔细地观察太阳系外的行 星,他们设想用巨大的遮挡物拦截 遥远星系的光线.然后用未来的太 空望远镜观察恒星周围的行星,从 而在这些行星上寻找支持生命存在 的化合物,包括水,甲烷和氧气等. 17世纪初,荷兰人发明了望远 镜,伽利略又把它对准了星空,从此 开辟了天文学的新时代.在此后的 400年里.有关望远镜的发明和革 新一直没有停止过,它使人类的视 线延伸到了几十亿光年之外的遥远 深空,通过望远镜观测太空成了人 类的一项最杰出的成就.假若没有 望远镜的援助,即使我们有最强大 的超级计算机,构建了最宏伟最完 善的宇宙模型,天文学也只能纸上 谈兵,它很难解答宇宙中的诸多谜 团. 多少世纪以来.人们仰望苍穹 一 遍遍地追问:我们是谁?生命来自 哪里?宇宙的边缘何在?一切是如何 开始的?巨镜时代的天文学也许正 在帮助人类解答这些最令人困惑的 终极问题.蠲 (责编白丽娟)