1、第二講觀天巨眼400年光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展,在沒有望遠(yuǎn)鏡的年代，人們只能憑借自己的雙眼觀察各類天體來研究它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和各種性質(zhì)。自從1609年意大利科學(xué)家伽利略發(fā)明了天文望遠(yuǎn)鏡之后，古人幻想中的千里眼變成了現(xiàn)實(shí)。在望遠(yuǎn)鏡約400年歷史中的前300多年，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡幾乎是獲取天體信息的惟一手段，光學(xué)天文學(xué)也幾乎成為天文學(xué)的代名詞。近幾十年來由于射電天文和空間天文的崛起使光學(xué)天文學(xué)失去了霸主的地位，但是全波段時(shí)代的到來并沒有降低光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的作用。各個(gè)波段的觀測是相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)的。在競爭中光學(xué)望遠(yuǎn)鏡又有了驚人的發(fā)展。,一、天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明和早期光學(xué)望遠(yuǎn)鏡,光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，是天文學(xué)家的主要工具之一，大多數(shù)

2、天文學(xué)上用的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，都是由一片大的曲面鏡，代替透鏡來聚焦，這樣可以確保靈敏的探測器能用最大限度收集從遙遠(yuǎn)星球發(fā)出的管線，而透鏡則會(huì)在光線通過時(shí)把其中的一部分吸收 。 光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡主要有三大類：折射式望遠(yuǎn)鏡、反射式望遠(yuǎn)鏡和折反射式望遠(yuǎn)鏡。 折射式望遠(yuǎn)鏡利用透鏡作主鏡收集光線并將光線屈折到焦點(diǎn)上。 反射式望遠(yuǎn)鏡則使用一塊凹透鏡作主鏡，將入射光線反射后會(huì)聚到焦點(diǎn)上。 折反射式則是在反射鏡的基礎(chǔ)上在入口處加一塊稱為修正鏡的透鏡。,1.人類第一架光學(xué)望遠(yuǎn)鏡伽利略的折射式望遠(yuǎn)鏡,1609年意大利著名物理學(xué)家伽利略發(fā)明了人類歷史上第一架天文望遠(yuǎn)鏡。他制作的天文望遠(yuǎn)鏡都是折射式望遠(yuǎn)鏡，是用一塊凸透鏡作物

3、鏡，一塊凹透鏡作目鏡。雖然他研制的幾架望遠(yuǎn)鏡的口徑都只有幾厘米，但卻獲得了許多震驚世界的新發(fā)現(xiàn)。他發(fā)現(xiàn)了太陽表面的黑子，月球表面凹凸不平的環(huán)形山，木星的4顆衛(wèi)星，以及金星的圓缺變化。更令人吃驚的是，當(dāng)他把望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)了夜空中那條柔和的光帶銀河時(shí)，看到了多如牛毛的星星。,太陽表面的黑子,木星的4顆衛(wèi)星,金星的圓缺變化,銀河,由于玻璃對各種顏色光的折射率各部相同，用單透鏡作物鏡回產(chǎn)生嚴(yán)重的色差。色差是天文觀測中的大忌，它會(huì)使一個(gè)觀測目標(biāo)變成一個(gè)色彩斑斕的光環(huán)。為了解決這個(gè)問題，后來的折射式望遠(yuǎn)鏡都不再用一塊透鏡作物鏡，而是用兩三塊或更多塊折射率不同的玻璃組合在一起作為一個(gè)物鏡使用，成為消色差的光學(xué)系

4、統(tǒng)。常用的有雙膠合物鏡、雙分離物鏡、三分離物鏡，等等。,2.牛頓發(fā)明反射式望遠(yuǎn)鏡,折射鏡的一個(gè)重大缺陷是會(huì)產(chǎn)生色差。牛頓是首先了解色差產(chǎn)生原因的科學(xué)家。為避開折射望遠(yuǎn)鏡的這一缺陷，牛頓開始研制反射望遠(yuǎn)鏡。 牛頓用青銅凹面鏡來代替凸透鏡作物鏡，再在這面凹面反射鏡的焦點(diǎn)位置上傾斜的放置一小片平面鏡，把會(huì)聚后的光再反射到目鏡上。這就是世界上第一架利用光的反射原理制成的反射式望遠(yuǎn)鏡，后來人們就把這種類型的望遠(yuǎn)鏡稱之為“牛頓式望遠(yuǎn)鏡”.,牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡由三部分組成，一是作物鏡的拋物面鏡，二是平面反射鏡，三是目鏡。由前端入射的光被反射鏡會(huì)聚到一塊平面鏡。平面鏡是斜著放置的，以便把光線反射到安裝在鏡筒側(cè)面

5、的目鏡上。牛頓式光學(xué)系統(tǒng)的相對口徑一般為13到15，它的特點(diǎn)是光力強(qiáng)，像質(zhì)優(yōu)良。 1672年法國天文學(xué)家卡塞格林發(fā)明了一種反射系統(tǒng)，由拋物面鏡物鏡、雙曲面副鏡和目鏡組成。,由于反射系統(tǒng)的主鏡重量較輕，比起折射鏡來鏡面容易做大，又不會(huì)產(chǎn)生色差的干擾，因此大口徑的望遠(yuǎn)鏡都采用反射式。反射望遠(yuǎn)鏡發(fā)展非常快，成為光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的主流。目前世界上最優(yōu)秀的望遠(yuǎn)鏡都是反射望遠(yuǎn)鏡。,3.赫歇爾和羅斯的反射式望遠(yuǎn)鏡,赫歇爾一生當(dāng)中共磨制了數(shù)百架望遠(yuǎn)鏡，在研制反射式望遠(yuǎn)鏡方面做出了重大貢獻(xiàn)。他用自己磨制的一架口徑15厘米的牛頓式望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了天王星。1786年，他實(shí)施了一項(xiàng)令世人震驚的計(jì)劃，制造了一架當(dāng)時(shí)世界上最大的口

6、徑達(dá)1.2米的反射望遠(yuǎn)鏡。,英國天文學(xué)家羅斯伯爵花費(fèi)20多年的時(shí)間，先后制成了四架反射望遠(yuǎn)鏡，口徑一架比一架大，最大的一架口徑達(dá)1.84米，曾雄霸一時(shí)。羅斯用它首次發(fā)現(xiàn)蟹狀星云具有纖維狀結(jié)構(gòu)，就像是一只只的螃蟹腿。羅斯將它命名為蟹狀星云，這個(gè)名字至今未變。,鏡面越大，會(huì)聚光線的能力越強(qiáng)。聚光能力越強(qiáng)，望遠(yuǎn)鏡可以“看到”的空間就越深。目前世界上的大型望遠(yuǎn)鏡基本上都是反射式的，最大的反射鏡面口徑已達(dá)10米，而最大的折射式望遠(yuǎn)鏡的口徑僅有1米。,4.克拉克父子創(chuàng)造折射望遠(yuǎn)鏡的輝煌,克拉克父子是馬薩諸塞州的畫家。 1860年，密西西比大學(xué)名譽(yù)校長巴納德決定要為他的大學(xué)造一架口徑47厘米的折射鏡，這將成

7、為美國首屈一指的最大折射鏡?？死烁缸觾H用了兩年時(shí)間就完成了這項(xiàng)任務(wù)。他們用這架望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了天狼星的伴星人類發(fā)現(xiàn)的第一顆白矮星。 1870年，他們又為美國海軍天文臺(tái)造了一架物鏡口徑66厘米的折射式望遠(yuǎn)鏡。海軍天文臺(tái)的天文教授霍爾用這架望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)火星的兩顆衛(wèi)星。 此后，克拉克父子又造了兩架更大的折射望遠(yuǎn)鏡。分別是口徑91厘米的里克望遠(yuǎn)鏡和口徑102厘米的葉凱士望遠(yuǎn)鏡。這兩家望遠(yuǎn)鏡是目前世界上最大的兩架折射望遠(yuǎn)鏡。,5.施密特的折反射望遠(yuǎn)鏡,如何把折射式望遠(yuǎn)鏡和反射式望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)點(diǎn)集于一身呢?這是天文學(xué)家多年以來夢寐以求的愿望。20世紀(jì)30年代，德國光學(xué)專家施密特的巧妙設(shè)計(jì)使天文學(xué)家的這一愿望變成了

8、現(xiàn)實(shí)。 勃恩哈德.施密特本是俄國人，22歲來到德國。1926年，47歲的施密特來到漢堡天文臺(tái)工作。他要超越前人，研制一種融折射鏡和反射鏡的優(yōu)點(diǎn)為一體的新型望遠(yuǎn)鏡。經(jīng)過4年的努力，在1930年研制出一架主鏡口徑48厘米，修正鏡口徑36厘米的折反射式望遠(yuǎn)鏡。這個(gè)光學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)復(fù)雜，但他卻主要用手工操作，而且還是靠他緊有的一只左臂研磨完成工藝要求非常高的光學(xué)系統(tǒng)。 這種折反射式望遠(yuǎn)鏡的光路非常巧妙，它的一塊球面主鏡放在鏡筒的后邊，一塊波浪形的透鏡作為改正鏡放在主鏡前適當(dāng)?shù)奈恢谩８恼R與主鏡的口徑比例大約為23。望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)不是聚焦在一個(gè)平面上，而是聚焦在一個(gè)曲面上。施密特望遠(yuǎn)鏡兼顧了折射鏡和反射鏡的

9、優(yōu)點(diǎn)。球面反射鏡作主鏡會(huì)產(chǎn)生色差，影響成像質(zhì)量，而波浪形的透鏡正好能改正光線經(jīng)過反射鏡時(shí)所產(chǎn)生的各種像差，是望遠(yuǎn)鏡得到了像折射鏡一樣的大視場和像反射鏡一樣的高清晰度。施密特望遠(yuǎn)鏡非常適合作天體攝影工作，可獲得大面積天區(qū)的高清晰度照片。,百折不撓的施密特成功了，然而他卻積勞成疾，于1935年12月1日，年僅56歲時(shí)就去世了。為了緬懷施密特的偉大功績，后來，人們將施密特設(shè)計(jì)的這種折反射式天文望遠(yuǎn)鏡統(tǒng)稱為施密特望遠(yuǎn)鏡。 目前，世界上最大的施密特望遠(yuǎn)鏡在德國史瓦西天文臺(tái)，它的主鏡口徑200厘米，改正透鏡口徑為134厘米，視場達(dá)3.43.4。,二.光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的幾個(gè)重要參數(shù),1.物鏡口徑、物鏡焦距和相對口

10、徑 物鏡口徑是望遠(yuǎn)鏡聚光本領(lǐng)和分辨率的主要標(biāo)志，一般是指有效口徑D，即望遠(yuǎn)鏡經(jīng)過鏡框限制所能接收到的最大光束的直徑，也叫通光直徑或入射光瞳。 物鏡焦距f是天體攝影時(shí)底片比例尺的主要標(biāo)志，焦距越長，拍攝到的天體的尺寸就越大。 望遠(yuǎn)鏡有效口徑D與焦距f之比叫做相對口徑或相對孔徑，用A表示，即A=D f。 2.分辨角 分辨角是剛剛能被望遠(yuǎn)鏡分辨開的天球上兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)之間的角距，用表示。根據(jù)光的衍射原理，可以得出=1.22D（其中D為望遠(yuǎn)鏡物鏡的有效口徑，為來自天體的入射光的波長）。分辨角表示望遠(yuǎn)鏡能觀測到的天體細(xì)節(jié)的程度，是反映望遠(yuǎn)鏡品質(zhì)的重要指標(biāo)。 3.極限星等 極限星等是表征望遠(yuǎn)鏡靈敏度的參數(shù)。將

11、望遠(yuǎn)鏡指向天頂區(qū)域，用肉眼透過望遠(yuǎn)鏡所能看到的最暗的恒星星等，稱為極限星等，用m表示。極限星等與望遠(yuǎn)鏡的有效口徑、相對口徑、物鏡的吸收系數(shù)、大氣吸收系數(shù)和天空,背景亮度等多種因素有關(guān)。極限星等可以有以下經(jīng)驗(yàn)公式mB=6.9+5lgD來估計(jì)（式中望遠(yuǎn)鏡有效口徑D以厘米為單位）。 4.放大率 放大率用G表示，它近似地等于物鏡焦距f與目鏡焦距f之比，通常就將G=ff算作望遠(yuǎn)鏡的放大率。放大率并不是望遠(yuǎn)鏡品質(zhì)的最主要標(biāo)志，過分追求高放大率是沒有意義的。一般放大率應(yīng)控制在物鏡口徑毫米數(shù)的1到2倍之間。 5.視場 視場是指能夠被望遠(yuǎn)鏡良好成像的天空區(qū)域，直接在觀測者眼中所張的角度稱為視場或視場角，用表示。

12、望遠(yuǎn)鏡的視場一般都是在設(shè)計(jì)時(shí)即已確定的，它與放大率成反比，放大率越大，視場越小。,三.天文望遠(yuǎn)鏡的終端設(shè)備,1.目鏡 2.攝像系統(tǒng) 與目視觀測相比，照相觀測具有許多優(yōu)越性。首先，它能將宇宙中瞬間發(fā)生的現(xiàn)象客觀地、真實(shí)地記錄下來，并可長期保存，供人們分析、研究和交流；其次，由于照相底片具有積累效應(yīng)，有些目視觀測看不見的暗弱天體，卻可以通過長時(shí)間的曝光在底片上顯現(xiàn)出來，用小望遠(yuǎn)鏡得到大望遠(yuǎn)鏡的效果。人們通過照相方法獲得了彌足珍貴的天文發(fā)現(xiàn)，如日珥、冥王星、小行星等。 3.光電光度計(jì) 19世紀(jì)末期，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)光照射到某些物質(zhì)上能產(chǎn)生電流，入射光的強(qiáng)弱變化也會(huì)引起電流的強(qiáng)弱變化，這種現(xiàn)象稱為“光電效

13、應(yīng)”。光電倍增管就是根據(jù)這一現(xiàn)象制造出的光電轉(zhuǎn)換器件。光電光度計(jì)可設(shè)計(jì)成單通道、雙通道和多通道。 4.光譜儀 獲得天體光譜的儀器叫光譜儀，也叫攝譜儀。攝譜儀由狹縫、準(zhǔn)直鏡、色散元件、成像鏡及底片組成。,5.電荷耦合器件（CCD） CCD是英文charge-coupled device（電荷耦合器件）的縮寫。由極薄的硅晶片制成，硅片被分成幾百萬甚至幾千萬極其微小的單元，稱為像素。目前CCD技術(shù)已被用到數(shù)碼相機(jī)上，走進(jìn)了千家萬戶。 日珥 冥王星,四.當(dāng)代大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡,1.海耳望遠(yuǎn)鏡 1918年海耳研制完成的一架口徑2.5米的反射式望遠(yuǎn)鏡安放在威爾遜山天文臺(tái)的山頂上。著名天文學(xué)家哈勃就是使用這架望

14、遠(yuǎn)鏡獲得了許多重大發(fā)現(xiàn)，如發(fā)現(xiàn)河外星系的存在和哈勃定律。 1929年，他得到美國金融大亨洛克菲勒的資助，開始建造5米望遠(yuǎn)鏡。 1934年開始動(dòng)工，直到1948年才最后完成，放置在帕洛瑪山上。 1969年，威爾遜山天文臺(tái)和帕洛瑪山天文臺(tái)合并，并命名為海耳天文臺(tái)。,海耳望遠(yuǎn)鏡,2.凱克望遠(yuǎn)鏡 20世紀(jì)80年代，美國加州理工學(xué)院的天文學(xué)家利用最新技術(shù)開始建造兩臺(tái)口徑10米的光學(xué)、紅外兩用望遠(yuǎn)鏡，成為特大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的杰出代表。兩臺(tái)10米望遠(yuǎn)鏡用資助者的名字命名，分別稱為凱克號鏡和凱克號鏡。凱克號和號都配有目前世界最先進(jìn)的CCD照相機(jī)。目前，天文學(xué)家正在計(jì)劃利用光的干涉原理，將凱克號和號聯(lián)合起來，組成

15、一個(gè)光學(xué)干涉儀。,3.歐南臺(tái)的甚大光學(xué)望遠(yuǎn)鏡 1987年12月歐南天文臺(tái)決定建造甚大光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，它由4臺(tái)口徑8.2米的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡組成，耗資5億美元。,4.日本的昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡 它的主鏡是整塊的巨大的直徑8.3米的反射鏡，造價(jià)為3.7億美元。這架日本惟一超大型望遠(yuǎn)鏡具有多種用途。它有3個(gè)副鏡和4個(gè)不同的焦點(diǎn)，還有7個(gè)附屬儀器。 昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡投入使用以后，立刻顯示出它的威力。如發(fā)現(xiàn)冥王星和它的衛(wèi)星查龍的表面成分有很大差別。冥王星表面有許多甲烷且見不到水冰，而查龍的表面卻是被水冰覆蓋，見不到甲烷。“昴星團(tuán)”優(yōu)良的成像質(zhì)量已經(jīng)成為日本天文學(xué)家的驕傲。,5.七國聯(lián)合制造的雙子望遠(yuǎn)鏡 美國、英國、加拿大、澳

16、大利亞、智利、巴西和阿根廷等7個(gè)國家共同出資近2億美元研制了兩架完全一樣的口徑為8.1米的望遠(yuǎn)鏡，并將它們命名為雙子望遠(yuǎn)鏡。這兩架望遠(yuǎn)鏡中的一架安裝在夏威夷莫納克亞，稱做北雙子，另一架安裝在智利中部海拔2950米的色落.托洛洛，稱做南雙子。 雙子望遠(yuǎn)鏡雖然也配備了可見光照相機(jī)和攝譜儀，但是它的主要功能還是用于對天體紅外波段的觀測。,6.中國大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜望遠(yuǎn)鏡（） 是一架橫臥南北方向的準(zhǔn)中星儀式反射施密特望遠(yuǎn)鏡。在跟蹤過程中，通過主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)控制以保持所需的非球面形狀并消除去球差。這是導(dǎo)致大視場和大口徑相結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)，是中國天文學(xué)家的創(chuàng)造。 的投資為.億元人民幣。它將安裝在國家天文

17、臺(tái)興隆觀測基地。將使我國天文學(xué)在大規(guī)模光學(xué)光譜觀測中，在大視場天文學(xué)研究方面，居于國際領(lǐng)先的地位。,五.哈勃空間望遠(yuǎn)鏡,人類自從進(jìn)入空間時(shí)代以來，天文學(xué)家就夢想把光學(xué)望遠(yuǎn)鏡送到太空中去觀測宇宙。因?yàn)闈饷艿拇髿鈱邮翘煳膶W(xué)家觀測研究宇宙天體的一大障礙。地球大氣對天文觀測的影響主要有兩個(gè)方面。第一，在宇宙空間，沒有大氣的干擾，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨本領(lǐng)可以達(dá)到它的衍射極限。而地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡卻由于大氣的干擾而大大降低分辨率。第二，地球大氣中的臭氧對紫外輻射有強(qiáng)烈的吸收作用，大氣中的水汽又能夠吸收大部分紅外輻射，因此地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的觀測波段受到很大限制。把光學(xué)望遠(yuǎn)鏡送到距地面幾百千米以上的太空中區(qū)觀測，就可以

18、徹底擺脫地球大氣的干擾，從而達(dá)到地面望遠(yuǎn)鏡望塵莫及的高分辨能力，并且大大擴(kuò)展了觀測波段，從紫外一直到紅外，比地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的觀測波段寬很多。 美國宇航局1962年就開始醞釀空間望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃，1977年得到批準(zhǔn)。1990年4月24日，這架主鏡口徑2.4米的望遠(yuǎn)鏡終于由“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機(jī)送上了距地面600千米的太空軌道。用偉大的天文學(xué)家哈勃的名字命名，簡稱HST。 哈勃空間望遠(yuǎn)鏡是迄今為止被送入太空的最大的天文望遠(yuǎn)鏡。它全長12.8米，鏡筒直徑4.27米，重11噸，由三大部分組成。第一部分是光學(xué)部分，第二部分是科學(xué)儀器，第三部分是輔助儀器。,哈勃鏡一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是圖像清晰，能分辨小到0.06角秒的細(xì)節(jié)，比幾年前地面觀測所能達(dá)到的分辨率高出10倍以上。10年來，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)取得了非常豐碩的觀測成果。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡以其卓越的貢獻(xiàn)解釋了宇宙中許多前所未知的秘密，然而它的使用壽命有限，大約2010年前后就要退役。現(xiàn)在，美國國家宇航局已經(jīng)決定在“哈勃”的壽命終結(jié)之后再發(fā)射一架新的空間望遠(yuǎn)鏡第二代空間望遠(yuǎn)鏡來接班。,六.光學(xué)