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更多>當(dāng)望遠(yuǎn)鏡的口徑發(fā)展到一定程度(如超過8.4米)的時(shí)候,天文學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)很難再擴(kuò)大單鏡面的口徑了,于是拼接鏡面望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)了。
越來越“大”的鏡面
隨著望遠(yuǎn)鏡口徑的增大,天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)大鏡面自重增加更快,要達(dá)到精確的光學(xué)性能調(diào)整就變得越來越難,究其原因是因?yàn)殓R面會(huì)隨著重力影響而變形,同時(shí)大氣的擾動(dòng)也大大限制了星光匯聚的銳度(空間分辨率),于是工程師們發(fā)展了主動(dòng)光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)技術(shù),對鏡面進(jìn)行形態(tài)的微調(diào),矯正鏡面的重力變形和大氣擾動(dòng)對星象的影響,使得星象始終保持明銳。
我國的第一個(gè)天文大科學(xué)裝置——郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST),就是施密特反射望遠(yuǎn)鏡。它采用了拼接鏡面技術(shù)和主動(dòng)光學(xué)技術(shù)。主鏡Mb為6.67米×6.05米,由37塊對角線長為1.1米的正六邊形子鏡拼接而成;而兼作反射和像質(zhì)改正功能的鏡片Ma,其大小為5.72米×4.40米,它是由24塊對角線長1.1米等正六邊形子鏡拼接而成的。
事實(shí)上,在圖1中展示的郭守敬望遠(yuǎn)鏡鏡面Ma的背面,就有著888個(gè)促動(dòng)器,對鏡面形態(tài)進(jìn)行調(diào)整,用以矯正鏡面的重力變形。
圖1. 郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)的Ma鏡面,這是一個(gè)典型的主動(dòng)光學(xué)拼接鏡面(圖源:國家天文臺(tái))
在射電望遠(yuǎn)鏡技術(shù)上,多望遠(yuǎn)鏡干涉觀測,甚至望遠(yuǎn)鏡陣列等技術(shù),大大拓展了射電望遠(yuǎn)鏡的口徑極限。所謂的干涉技術(shù),簡單理解就是通過一系列“小”望遠(yuǎn)鏡的協(xié)作,來實(shí)現(xiàn)一個(gè)大望遠(yuǎn)鏡級別的角分辨能力。圖2展示的國家天文臺(tái)明安圖觀測基地的射電日像儀就是基于這項(xiàng)技術(shù)。
圖2. 國家天文臺(tái)明安圖觀測基地的太陽射電望遠(yuǎn)鏡干涉陣(圖源:鄭捷)
在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡上干涉觀測的實(shí)驗(yàn)也已經(jīng)開始,但仍僅處于實(shí)驗(yàn)階段。
這一切都在使天文學(xué)家能夠有一雙更加明亮清晰的眼睛,讓我們能夠看得更暗更細(xì)。
測評望遠(yuǎn)鏡的“視力”
這里要順便提一個(gè)概念,天文工作者一般不用看“多遠(yuǎn)”(或者放大倍數(shù))的說法。
在日常生活中,大家一般會(huì)以看多遠(yuǎn)來評價(jià)看的能力。那是因?yàn)槲覀冊谠u價(jià)這個(gè)問題的時(shí)候是以相似尺度(人體這個(gè)尺度)的目標(biāo)來評價(jià)的。我們會(huì)說看到(或看清)十米遠(yuǎn)的人,一百米外的人,一公里的,一百公里的……
但是大家想一下,如果單純說肉眼能看多遠(yuǎn),實(shí)際上人眼能夠看到銀河系之外,例如仙女星系(M31),這個(gè)時(shí)候我們看的目標(biāo)的尺度不一樣了,不再是以人體為尺度,而是宇宙空間的天體,那么單純用距離來評價(jià),顯然就不合適了。
圖3.仙女星系M31(圖源:網(wǎng)絡(luò))
對望遠(yuǎn)鏡的評價(jià),我們一般有兩個(gè)指標(biāo)。
第一個(gè)是能看到多暗的物體,也就是所謂的極限星等。一個(gè)物體看起來的亮度(視亮度)受到三個(gè)因素的影響:一是它自身有多亮(絕對亮度,或者本征亮度);二就是它有多遠(yuǎn);第三是在觀測者和目標(biāo)之間有多少遮擋物,也就是視亮度=絕對亮度÷距離2×透過率。這三者單獨(dú)提出哪一個(gè)都是沒有意義的。當(dāng)然這個(gè)也和信號(hào)積分時(shí)間(曝光時(shí)間)有關(guān)系,對人眼而言,視網(wǎng)膜對信號(hào)的積分時(shí)間是很短暫的,而照相底片和電子設(shè)備是可以長時(shí)間積分的。盡管如此,受限于望遠(yuǎn)鏡跟蹤精度等原因,積分時(shí)間在現(xiàn)實(shí)中并不是可以無限增加的。
第二個(gè)指標(biāo),是角分辨力,也就是能夠分辨出兩個(gè)靠得多近的物體。在觀測中如果兩個(gè)天體很近,那么他們在望遠(yuǎn)鏡上得到的信號(hào)就會(huì)混疊在一起。這個(gè)的影響因素也有多個(gè),例如觀測的波段(波長)、望遠(yuǎn)鏡的口徑(或者射電望遠(yuǎn)鏡的基線長度)、觀測地上空的大氣擾動(dòng)情況、望遠(yuǎn)鏡的鏡面形態(tài)以及調(diào)焦質(zhì)量等等。
天地兩開花
大家或許還會(huì)有個(gè)疑問,空間望遠(yuǎn)鏡的觀測比地基望遠(yuǎn)鏡好得多,那為什么我們還要天地兩開花呢?
其實(shí)除了錢之外,還有很多因素制約著空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展。首先是口徑大小問題,空間望遠(yuǎn)鏡不好做大口徑。其次,空間望遠(yuǎn)鏡的升空一般是一次性的,地面上建造成啥樣子,上去就是啥樣子,幾乎不可能改進(jìn)了。當(dāng)然哈勃空間望遠(yuǎn)鏡是個(gè)很特殊的例子,升空后發(fā)現(xiàn)有問題,于是派了宇航員乘坐宇宙飛船去修……
圖4.1999年,宇航員對哈勃空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行維修(圖源:NASA/ESA)
哈勃空間望遠(yuǎn)鏡目前來說是個(gè)獨(dú)一無二的例子,也許后無來者。因?yàn)楝F(xiàn)在許多空間望遠(yuǎn)鏡都是發(fā)射到拉格朗日點(diǎn),甚至更遠(yuǎn),而人類幾乎不可能去那里進(jìn)行維修。而對于低軌的空間望遠(yuǎn)鏡,派宇航員去維修的成本也許比重新建設(shè)一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡本身成本更高。
而地基望遠(yuǎn)鏡,則可以進(jìn)行各種維修,各種升級改造,各種測試……從技術(shù)角度來說,地基望遠(yuǎn)鏡使用著最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)中的技術(shù),而升空的空間望遠(yuǎn)鏡則使用的都是成熟的穩(wěn)定的技術(shù),畢竟扔上去就很難再換了。
在空間望遠(yuǎn)鏡和地基望遠(yuǎn)鏡之間,我們也有一系列補(bǔ)充技術(shù),例如古老的探空氣球觀測技術(shù),NASA財(cái)大氣粗地用波音747飛機(jī)改造的平流層紅外天文臺(tái)(SOFIA)等等……
作者簡介:鄭捷,理學(xué)博士,中國科學(xué)院國家天文臺(tái)助理研究員,興隆觀測基地駐站天文學(xué)家,主要從事多波段恒星測光巡天觀測和數(shù)據(jù)處理,以及天文軟件研發(fā)工作。
標(biāo)簽: 望遠(yuǎn)鏡
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