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天文望远镜的12个历史瞬间

来源:光明网2021-10-27 11:06

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  自从望远镜诞生之后,所有相关人员都在为其优良的成像、便捷的使用而不懈努力。

天文望远镜的12个历史瞬间

不同天文学家利用早期望远镜绘制的土星图像,因为光学像差的缘故,土星的形态被猜测成各种各样。(来源:wiki)

  伽利略的密语——折射望远镜石破天惊

  1608年, 荷兰人汉斯(Hans Lippershey)用水晶造出了第一台望远镜。仅仅一年多之后,伽利略(Galileo Galilei)就通过对望远镜的改装,完成了它的一大步进化——天文望远镜出现了。利用这台望远镜,伽利略发现了月球上的撞击坑,发现了木星的四颗卫星,发现了银河实际上是由众多暗弱恒星组成,也发现了土星形状诡异。

  然而他对于土星的发现并不确定,纠结之下将这一发现写成一段“密语”:Smaismrmielmepoetaleumibuvnenugttaviras,让他人猜度。后来当他稍稍自信后,才将谜底公布出来:土星是三个星组成的,一大两小。这显然不是如今我们熟知的土星,那个拥有漂亮光环著称的土星。伽利略的问题在于,他的望远镜口径还不够大,光学质量还不足够好。

  很快,折射式望远镜的第一个改进出现了:开普勒式望远镜,他把伽利略式的凸透镜-凹透镜组合,换成了凸透镜-凸透镜组合。这样的结果是视野增大,而且放大率提高,带来的不便则是图像呈倒像。这对天文观测来说毫无影响,因为天体并无所谓正立或者倒立。

  惠更斯与土星光环——悬在空中的望远镜

  1655年, 也就是伽利略望远镜出现的四十多年后,惠更斯(Christiaan Huygens)让折射式望远镜有了进一步发展。

  为了减弱色差,他使用了非常长的焦距,这也使得他制作的天文望远镜造型古怪——有一个竖杆,顶端放置望远镜的物镜,用一根绳子控制物镜的指向,然后在绳子的另一端安装目镜。惠更斯在目镜制作上也下了功夫,以至他后来设计的惠更斯目镜如今依然被人们使用。惠更斯的努力没有白费,他看清了土星的光环,并且发现了土卫六。他在公布新发现时也采用了“密码”:“aaaaaaa ccccc d eeeee g h iiiiiii llll mmnnnnnnnnn oooo pp g rr s ttttt uuuuu”这句话翻译过来就是:有环环绕,环薄而平,没有一处与本体相连,而与黄道斜交。

天文望远镜的12个历史瞬间

图片惠更斯的悬空式望远镜。(来源:伦敦科学博物馆)

  17世纪,惠更斯制造的望远镜在市场上具有垄断地位,正得益于他关于土星系统的发现。惠更斯兄弟一直声称,他们所制作的望远镜是当时最好的。惠更斯正处于事业的巅峰,他们用第一个作品——1655年的口径5.7厘米、焦距365厘米(12英尺)的望远镜,发现了土星卫星。

  之后,1656年,惠更斯建造了更大的一台悬空式望远镜,口径10.5厘米、焦距长达701厘米(23英尺)。几年后,著名的惠更斯目镜被制造出来,并安装在这台望远镜上。这些工作完成之后,惠更斯望远镜的目视倍率达到了120倍,也获得了一些重要发现,这其中包括了火星的极冠,以及那个后来被称为“大流沙”或者“大沙漏”的三角形暗色区域。

天文望远镜的12个历史瞬间

1673年赫维留的45米焦距望远镜。(来源:wiki)

  牛顿的预言——反射式望远镜的出现

  人们很早就知道,正透镜和凹面镜的效果在某种程度上类似,既然折射望远镜可以工作,那么反射式望远镜的设计,也就是理所应当的事。很快,各种各样的设计出现了,其中最著名的就是梅森(MarinMersenne)在1636年的设计。

天文望远镜的12个历史瞬间

牛顿反射望远镜的设计细节。(来源:wiki)

  但在当时而言,梅森的设计太超前了,甚至连伽利略、笛卡尔等人(René Descartes)都看不懂。梅森曾经打算自己建造反射式望远镜,但笛卡尔拦住了他,因为梅森望远镜的镜面是抛物面的,而在当时,制造抛物面反射镜是个巨大的挑战。其实笛卡尔是正确的,当时不止梅森,诸如格里高利(James Gregory)、卡塞格林(Laurent Cassegrain)等人都有反射望远镜的设计,但都困在了镜面制作工艺上。直到1668年,牛顿采用了一个折中方案,放弃了抛物面反射镜,而采用简单的球面反射镜,才做出了真正第一台反射式望远镜。

  即便如此,牛顿这架反射式望远镜依然无法匹敌当时的折射式望远镜。金属反射镜面的反射率低,镜面精度等问题都大大影响了成像。金属镜面随着温度的变化很大,它的膨胀和收缩要比玻璃大得多,这还不包括氧化带来的烦恼。但牛顿敏锐地指出了一个问题:反射式望远镜是没有色差的,以后必然是反射式望远镜的天下。这正点中了折射式望远镜的死穴。

天文望远镜的12个历史瞬间

图片牛顿制作的反射望远镜复原模型。来源 / wiki

  节选自《中国国家天文》10月号“天文望远镜的12个历史瞬间”。

  作者简介:张超,科普作家协会会员,长期致力于天文科学仪器史料挖掘和整理工作。

  文稿编辑:赵宇豪

[ 责编:蔡琳 ]
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