天文学家眼中的星之“先利其器”

　　当望远镜的口径发展到一定程度（如超过8.4米）的时候，天文学家们就发现很难再扩大单镜面的口径了，于是拼接镜面望远镜出现了。

　　越来越“大”的镜面

　　随着望远镜口径的增大，天文学家发现大镜面自重增加更快，要达到精确的光学性能调整就变得越来越难，究其原因是因为镜面会随着重力影响而变形，同时大气的扰动也大大限制了星光汇聚的锐度（空间分辨率），于是工程师们发展了主动光学和自适应光学技术，对镜面进行形态的微调，矫正镜面的重力变形和大气扰动对星象的影响，使得星象始终保持明锐。

　　我国的第一个天文大科学装置——郭守敬望远镜（LAMOST），就是施密特反射望远镜。它采用了拼接镜面技术和主动光学技术。主镜Mb为6.67米×6.05米，由37块对角线长为1.1米的正六边形子镜拼接而成；而兼作反射和像质改正功能的镜片Ma，其大小为5.72米×4.40米，它是由24块对角线长1.1米等正六边形子镜拼接而成的。

　　事实上，在图1中展示的郭守敬望远镜镜面Ma的背面，就有着888个促动器，对镜面形态进行调整，用以矫正镜面的重力变形。

图1. 郭守敬望远镜（LAMOST）的Ma镜面，这是一个典型的主动光学拼接镜面（图源：国家天文台）

　　在射电望远镜技术上，多望远镜干涉观测，甚至望远镜阵列等技术，大大拓展了射电望远镜的口径极限。所谓的干涉技术，简单理解就是通过一系列“小”望远镜的协作，来实现一个大望远镜级别的角分辨能力。图2展示的国家天文台明安图观测基地的射电日像仪就是基于这项技术。

图2. 国家天文台明安图观测基地的太阳射电望远镜干涉阵（图源：郑捷）

　　在光学望远镜上干涉观测的实验也已经开始，但仍仅处于实验阶段。

　　这一切都在使天文学家能够有一双更加明亮清晰的眼睛，让我们能够看得更暗更细。

　　测评望远镜的“视力”

　　这里要顺便提一个概念，天文工作者一般不用看“多远”（或者放大倍数）的说法。

　　在日常生活中，大家一般会以看多远来评价看的能力。那是因为我们在评价这个问题的时候是以相似尺度（人体这个尺度）的目标来评价的。我们会说看到（或看清）十米远的人，一百米外的人，一公里的，一百公里的……

　　但是大家想一下，如果单纯说肉眼能看多远，实际上人眼能够看到银河系之外，例如仙女星系（M31），这个时候我们看的目标的尺度不一样了，不再是以人体为尺度，而是宇宙空间的天体，那么单纯用距离来评价，显然就不合适了。

图3.仙女星系M31（图源：网络）

　　对望远镜的评价，我们一般有两个指标。

　　第一个是能看到多暗的物体，也就是所谓的极限星等。一个物体看起来的亮度（视亮度）受到三个因素的影响：一是它自身有多亮（绝对亮度，或者本征亮度）；二就是它有多远；第三是在观测者和目标之间有多少遮挡物，也就是视亮度=绝对亮度÷距离²×透过率。这三者单独提出哪一个都是没有意义的。当然这个也和信号积分时间（曝光时间）有关系，对人眼而言，视网膜对信号的积分时间是很短暂的，而照相底片和电子设备是可以长时间积分的。尽管如此，受限于望远镜跟踪精度等原因，积分时间在现实中并不是可以无限增加的。

　　第二个指标，是角分辨力，也就是能够分辨出两个靠得多近的物体。在观测中如果两个天体很近，那么他们在望远镜上得到的信号就会混叠在一起。这个的影响因素也有多个，例如观测的波段（波长）、望远镜的口径（或者射电望远镜的基线长度）、观测地上空的大气扰动情况、望远镜的镜面形态以及调焦质量等等。

　　天地两开花

　　大家或许还会有个疑问，空间望远镜的观测比地基望远镜好得多，那为什么我们还要天地两开花呢？

　　其实除了钱之外，还有很多因素制约着空间望远镜的发展。首先是口径大小问题，空间望远镜不好做大口径。其次，空间望远镜的升空一般是一次性的，地面上建造成啥样子，上去就是啥样子，几乎不可能改进了。当然哈勃空间望远镜是个很特殊的例子，升空后发现有问题，于是派了宇航员乘坐宇宙飞船去修……

图4.1999年，宇航员对哈勃空间望远镜进行维修（图源：NASA/ESA）

　　哈勃空间望远镜目前来说是个独一无二的例子，也许后无来者。因为现在许多空间望远镜都是发射到拉格朗日点，甚至更远，而人类几乎不可能去那里进行维修。而对于低轨的空间望远镜，派宇航员去维修的成本也许比重新建设一台望远镜本身成本更高。

　　而地基望远镜，则可以进行各种维修，各种升级改造，各种测试……从技术角度来说，地基望远镜使用着最先进的实验中的技术，而升空的空间望远镜则使用的都是成熟的稳定的技术，毕竟扔上去就很难再换了。

　　在空间望远镜和地基望远镜之间，我们也有一系列补充技术，例如古老的探空气球观测技术，NASA财大气粗地用波音747飞机改造的平流层红外天文台（SOFIA）等等……

　　作者简介：郑捷，理学博士，中国科学院国家天文台助理研究员，兴隆观测基地驻站天文学家，主要从事多波段恒星测光巡天观测和数据处理，以及天文软件研发工作。