文/ 葉楠

早期的天文望遠(yuǎn)鏡

從伽利略第一次將望遠(yuǎn)鏡指向夜空開始，人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)開始邁入了一個(gè)全新的時(shí)代。依據(jù)光學(xué)原理，口徑越大的望遠(yuǎn)鏡能夠匯聚更多的光線，能看到更加遙遠(yuǎn)、更加暗弱的天體。人類終于超越了眼睛的限制，從此可以看到更多的星星。同時(shí)，口徑越大的望遠(yuǎn)鏡擁有更高的角分辨率，能夠讓我們看清天體的細(xì)節(jié)，例如月球上的環(huán)形山、土星光環(huán)、木星大紅斑等等。不過，無論是伽利略還是開普勒的望遠(yuǎn)鏡都是利用光的折射原理制造的，光在通過透鏡發(fā)生折射的同時(shí)還會(huì)發(fā)生色散現(xiàn)象，這就造成了不同顏色的光不能匯聚到同一個(gè)焦點(diǎn)上，從而產(chǎn)生色差。

色差

利用一枚三棱鏡可以將太陽光分解成赤橙黃綠青藍(lán)紫幾種不同的顏色，說明可見光是由不同顏色、不同波長(zhǎng)的光構(gòu)成的。紅色光波長(zhǎng)最長(zhǎng)，頻率最低，也擁有較小的折射率，它在通過透鏡時(shí)會(huì)產(chǎn)生較小角度的偏折；而紫色光波長(zhǎng)最短，頻率最高，折射率較高，在通過透鏡時(shí)產(chǎn)生的偏折角度也較大。所以對(duì)于一架折射望遠(yuǎn)鏡來說，紅色光的焦點(diǎn)會(huì)更遠(yuǎn)離物鏡，紫色光的焦點(diǎn)更靠近物鏡。在實(shí)踐中表現(xiàn)為在使用折射望遠(yuǎn)鏡對(duì)焦的過程中能夠看到星點(diǎn)出現(xiàn)紫邊的現(xiàn)象（左圖）。

長(zhǎng)焦距折射望遠(yuǎn)鏡

對(duì)于折射望遠(yuǎn)鏡來說，要想在高放大倍率下盡可能減小色差的影響，只有通過延長(zhǎng)焦距的方法，于是在17 世紀(jì)末出現(xiàn)了一些非常經(jīng)典的長(zhǎng)焦距折射望遠(yuǎn)鏡。1672 年，意大利天文學(xué)家卡西尼制造了一架長(zhǎng)達(dá)11 米的望遠(yuǎn)鏡，并利用它發(fā)現(xiàn)了土星的第五顆衛(wèi)星。波蘭天文學(xué)家赫維留斯則制造了一架長(zhǎng)達(dá)46 米的望遠(yuǎn)鏡（左圖），要支撐這么長(zhǎng)的鏡筒，整個(gè)望遠(yuǎn)鏡需要由腳手架和起重機(jī)來進(jìn)行支撐和移動(dòng)。不過這類長(zhǎng)焦距望遠(yuǎn)鏡在觀測(cè)上的價(jià)值似乎并不像他們的外形那樣霸氣，一陣風(fēng)都可以使它的成像產(chǎn)生抖動(dòng)和失真，嚴(yán)重的時(shí)候甚至?xí)谝粓?chǎng)大風(fēng)后徹底坍塌。

無鏡筒望遠(yuǎn)鏡

既然風(fēng)對(duì)鏡筒的影響如此之大，而鏡筒的主要作用只是用來遮蔽雜散光，那么只要環(huán)境夠黑暗，是不是可以制造不需要鏡筒的望遠(yuǎn)鏡呢？在1675 年以后真的出現(xiàn)了沒有鏡筒的望遠(yuǎn)鏡。物鏡安裝在柱子、樹頂或某些建筑的頂部，并通過旋轉(zhuǎn)和連桿裝置進(jìn)行方向控制。目鏡安裝在地面的支架上，甚至可以手持目鏡進(jìn)行觀測(cè)。關(guān)于這類望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明者歷史上并沒有明確記載?？ㄎ髂崂每才聊嶂谱鞯慕咕喾謩e是30 米和41 米的無鏡筒望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)三和土衛(wèi)四?；莞剐值茉?jīng)制作了焦距長(zhǎng)達(dá)64 米的無鏡筒望遠(yuǎn)鏡（右圖）。不過使用這種望遠(yuǎn)鏡需要觀測(cè)者具有極高的技能和耐心。

牛頓反射望遠(yuǎn)鏡

牛頓對(duì)光學(xué)有很深的造詣，他在研究了色散現(xiàn)象以后總結(jié)出任何折射望遠(yuǎn)鏡都會(huì)受到色散的影響。為了避免這一點(diǎn)，牛頓在1668 年發(fā)明了反射望遠(yuǎn)鏡。牛頓望遠(yuǎn)鏡的主鏡使用球面鏡，副鏡使用平面反射鏡。與折射望遠(yuǎn)鏡相比，反射望遠(yuǎn)鏡徹底杜絕了色差的影響。由于反射望遠(yuǎn)鏡在制造工藝上只需要磨制一側(cè)鏡面，因此口徑可以做的更大，價(jià)格也更為便宜。不過，雖然反射望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)點(diǎn)足以讓它在未來的日子里占據(jù)天文臺(tái)的中心位置，但也并非完全沒有缺點(diǎn)。它的缺點(diǎn)主要包括彗差，副鏡對(duì)光路的遮擋，目鏡在主鏡前端帶來的某些角度觀測(cè)困難，以及光路校準(zhǔn)問題等。

卡塞格林式反射望遠(yuǎn)鏡

1672 年，法國(guó)一位天主教神父卡塞格林發(fā)明了一種通過凸面副鏡將光線反射到主鏡中心的孔中抵達(dá)目鏡的反射式望遠(yuǎn)鏡。這種望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)方式又回到了從望遠(yuǎn)鏡底部面向目標(biāo)方向進(jìn)行觀測(cè)，比起牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡垂直于觀測(cè)方向的目鏡位置，卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡顯得更易于讓人接受和習(xí)慣，也避免了大型牛頓式望遠(yuǎn)鏡在觀測(cè)天頂附近天體時(shí)，甚至需要?jiǎng)佑脙蓪訕歉叩囊苿?dòng)式樓梯才能夠達(dá)到目鏡所在的高度。那樣觀測(cè)顯然是不夠安全的，因?yàn)殡S著地球的自轉(zhuǎn)，目標(biāo)天體位置的移動(dòng)會(huì)使得目鏡位置越來越遠(yuǎn)離觀測(cè)者所站的樓梯。圖為上海自然博物館中展出的卡塞格林式反射望遠(yuǎn)鏡模型。

非球面反射鏡

在此之后的半個(gè)世紀(jì)里，反射望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)和制造工藝都沒有進(jìn)一步的提升，直到八分儀的發(fā)明者約翰·哈德利發(fā)明了拋物面反射鏡的制造方法。1721 年，哈德利向英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)展示了第一個(gè)拋物面式牛頓反射望遠(yuǎn)鏡。這是一臺(tái)有著15 厘米口徑、159 厘米焦距、由金屬反射面磨制而成的望遠(yuǎn)鏡，其觀測(cè)效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于當(dāng)年惠更斯使用的無鏡筒望遠(yuǎn)鏡。圖為哈德利制作的格里高里式望遠(yuǎn)鏡。

赫歇爾的望遠(yuǎn)鏡

1774 年開始，英國(guó)一名為威廉·赫歇爾的音樂教師開始利用業(yè)余時(shí)間磨制反射望遠(yuǎn)鏡，并從此一發(fā)不可收拾，后半生全身心投入到望遠(yuǎn)鏡的制作和天文觀測(cè)研究之中。他一生之中共制造了400 多臺(tái)反射望遠(yuǎn)鏡。1778 年，他制造了一臺(tái)口徑16 厘米、焦距2.1 米的望遠(yuǎn)鏡，利用這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡他發(fā)現(xiàn)了許多雙星和深空天體。1783 年，赫歇爾完成了一臺(tái)口徑46 厘米、焦距6.1 米的反射望遠(yuǎn)鏡的制造工作，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡在赫歇爾手中服役了大約20 年時(shí)間。1789 年，他建造了人生中最大的一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，口徑120 厘米、焦距12 米（右圖），利用這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡赫歇爾發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)一和土衛(wèi)二，此后50 多年，這一直是世界上最大的望遠(yuǎn)鏡。

赫歇爾的巡天工作

從1782 年到1802 年，赫歇爾用30 厘米和47 厘米口徑反射望遠(yuǎn)鏡，以及他最喜歡的16 厘米口徑望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了系統(tǒng)的巡天觀測(cè)，尋找那些并不像恒星的深空天體。其間赫歇爾一共發(fā)現(xiàn)了2400 多個(gè)深空天體，他將這些發(fā)現(xiàn)以3 個(gè)星表的方式進(jìn)行了發(fā)表，分別是1786年發(fā)表的《一千個(gè)新星云和星團(tuán)星表》，1789 年發(fā)表的《第二個(gè)一千個(gè)新星云和星團(tuán)星表》以及1802年發(fā)表的《五百個(gè)新星云和星團(tuán)星表》。此后，這份星表得到了他的兒子約翰·赫歇爾的補(bǔ)充，并于1864 年出版了《星云和星團(tuán)總表》。在約翰·德雷爾的進(jìn)一步補(bǔ)充后，1888年出版了包括7840 個(gè)天體的《星云和星團(tuán)新總表》，也就是著名的NGC 星表。圖為NGC 星表中部分天體照片。

帕森斯的利維坦

第三代羅斯伯爵威廉·帕森斯是一位愛爾蘭天文學(xué)家，他對(duì)星云有著很深的研究，他用一臺(tái)90 厘米口徑望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了M1 蟹狀星云，這是1054 年超新星爆發(fā)后留下的遺跡，蟹狀星云這個(gè)名字也是來自于帕森斯對(duì)它的描述。在1840 年代，帕森斯建造了一架口徑180 厘米的望遠(yuǎn)鏡，被稱為帕森斯郡的利維坦，這架望遠(yuǎn)鏡成為了當(dāng)時(shí)世界上最大的天文望遠(yuǎn)鏡，并將這項(xiàng)記錄保持了半個(gè)多世紀(jì)，時(shí)至今日，這臺(tái)巨大的望遠(yuǎn)鏡依舊矗立在帕森斯郡。

最大的折射望遠(yuǎn)鏡

位于美國(guó)威斯康辛州的葉凱士天文臺(tái)有著世界上最大的折射望遠(yuǎn)鏡，口徑1 米、焦距19.3 米，由克拉克父子制作。克拉克父子是光學(xué)制造商，以建造世界上最大的折射望遠(yuǎn)鏡聞名，曾經(jīng)5 次打破了世界上最大折射望遠(yuǎn)鏡的記錄。位于葉凱士天文臺(tái)的1 米口徑望遠(yuǎn)鏡是父子兩人于1897 年制作的，主鏡采用了雙透鏡來減少色差，重達(dá)225千克，這也是老克拉克在去世前磨制的最后一個(gè)主鏡。在20 世紀(jì)60年代，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡還進(jìn)行了電子設(shè)備改造，各種電力設(shè)備取代了老式的手動(dòng)裝置。此后一個(gè)多世紀(jì)世界上雖然不斷有更大的望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)，但都是反射望遠(yuǎn)鏡。這臺(tái)口徑1 米的折射望遠(yuǎn)鏡從它誕生之初直到現(xiàn)在依舊是世界上最大的折射望遠(yuǎn)鏡。

從17 世紀(jì)初到19 世紀(jì)末，人類利用天文望遠(yuǎn)鏡獲取的信息比之前幾千年都要更多。隨著技術(shù)水平的提升，天文望遠(yuǎn)鏡尤其是反射望遠(yuǎn)鏡的口徑越做越大，人類發(fā)現(xiàn)了越來越多曾經(jīng)無法看到的天體。人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)也從太陽系向外不斷延伸，直到發(fā)現(xiàn)星表中的某些星云其實(shí)遠(yuǎn)在我們所處的星系之外。不過這期間依舊是以目視觀測(cè)為主，天文學(xué)家需要每天辛苦的熬夜觀測(cè)。隨著19 世紀(jì)末照相術(shù)的發(fā)明，讓天文觀測(cè)的效率得到了極大的提升。所有這些即將引發(fā)20 世紀(jì)初天文學(xué)以及物理學(xué)上的新發(fā)現(xiàn)。