本文選自《物理》2020年第5期

自古以來人們對星空都有著非常濃厚的興趣，希望通過觀察天體的運動，洞察宇宙的奧秘。但是，受限于人類視力的局限，在很長一段時間之中，人們只能對一些星空中較為明亮的天體進行精度有限的位置測量。直到1609 年伽利略將望遠鏡指向星空，向人類展示出前所未見的星空深處。隨著天文望遠鏡這一重要觀測設備的發(fā)明，人類的視野被延伸至宇宙深處。接下來，請隨筆者共同走進天文望遠鏡的前世和今生，今生故事將著重以中國的幾架代表性天文望遠鏡為例。

天文望遠鏡的發(fā)明要從四百多年前的歐洲談起，那時望遠鏡已經被發(fā)明出來，并在軍事領域獲得了成功的應用。包括伽利略在內的一些科學家也對望遠鏡產生了濃厚興趣。1609 年，伽利略開始使用自制的天文望遠鏡觀測天體，并進行了詳細記錄。他當時所使用的天文望遠鏡是由一片凸透鏡和凹透鏡分別作為物鏡和目鏡的折射式望遠鏡，觀測天體時呈現(xiàn)正立的虛像。但由于光學結構及當時光學鏡片加工精度的限制，這種天文望遠鏡口徑只有四厘米左右，目視成像倍率也只有30 倍。但即便如此，天文望遠鏡也使得人們首次可以突破肉眼視覺的極限對天體進行觀測。

1610 年伽利略所著《星際信使》出版。在這本書中，伽利略描繪了他使用望遠鏡對月球、太陽、行星和恒星等一系列天體的觀測成果。天文望遠鏡的使用，改變了人們過去僅能依靠肉眼收集光線觀察宇宙的方式，開創(chuàng)了近代天文學。此后，人們不斷地改進望遠鏡的光學結構，使得人們可以看得更遙遠更清晰。

伽利略的觀測成果很快便被同時代的其他天文學家所獲悉，德國天文學家開普勒便是其中一位。1611 年，他改進了伽利略天文望遠鏡的原有設計，將望遠鏡的目鏡由凹透鏡改為一組短焦距的凸透鏡，從而使得天文望遠鏡可以呈現(xiàn)一個倒立的實像，提升了成像質量與目視倍率。由于在目鏡位置新安裝標有刻度的分劃板，使得天文望遠鏡的實際觀測效果大為改觀。這種設計也成為后來許多折射式望遠鏡的基礎光學結構。上海市天文博物館(上海天文臺佘山科普教育基地)所擁有的四十厘米雙筒折射望遠鏡就屬于這種類型(圖1)。

圖1 佘山天文臺40 厘米雙筒折射望遠鏡

然而，折射望遠鏡的不足之處開始凸顯出來，其中最明顯的一點是當時難以克服的色差。所謂色差是指由于折射率不一致，不同波長的光線穿越凸透鏡后難以聚焦到同一焦點，于是觀測者會發(fā)現(xiàn)在目標周圍環(huán)繞著各種顏色的光暈，極大地影響了觀測效果。此外，折射望遠鏡昂貴的鏡片材料與復雜的加工過程也成為制約其發(fā)展的重要障礙。

為了解決這類問題，各國科學家們開始了新探索。英國著名科學家牛頓創(chuàng)造性地將物鏡從凸透鏡改成凹面鏡，再用平面鏡作為副鏡將光線從鏡筒側面反射出來，故這種類型的天文望遠鏡也被稱為“牛頓式反射望遠鏡”。

相對折射式望遠鏡，“牛頓式反射望遠鏡”有著非常獨特的優(yōu)勢。首先，反射望遠鏡的物鏡僅需要加工一個反射面，相對來說加工的難度和材料成本都大大降低。其次，反射望遠鏡不會產生色差問題。再次，折射望遠鏡的物鏡受到自重的影響產生重力形變，從而影響成像效果；但由于光線需要透過物鏡鏡片，因此在鏡片上也不能進行支撐。而反射望遠鏡可以在鏡片背面安裝非常復雜的支撐裝置，降低鏡片的重力形變，從而獲得最佳的觀測效果。這便為制作更大口徑的望遠鏡奠定了技術基礎。因此，現(xiàn)代大型天文望遠鏡均以反射望遠鏡作為基礎。

當然，反射望遠鏡也并非盡善盡美。比如，反射望遠鏡也會產生如球差、彗差之類的像差；由于光路中副鏡的遮擋，導致進入鏡筒的光線減少等。后來，科學家們還發(fā)明了一種折反射望遠鏡，通過在反射鏡之前安裝一個改正鏡來修正反射鏡所產生的像差，從而改善天文望遠鏡的成像效果。這種望遠鏡也被廣泛地應用于科學研究和科普領域。

經過數(shù)百年的發(fā)展，天文望遠鏡已經發(fā)生了巨大的改變。天文望遠鏡口徑的大小決定了望遠鏡收集光線的能力，進而決定了望遠鏡的分辨率與觀察暗弱目標的能力。口徑越大，獲取的天體光線越多，觀測暗弱天體的能力越強。光學望遠鏡的口徑越來越大，天文望遠鏡的觀測波段已經從光學拓展到多波段。

上海天文臺的大型天文觀測設備中，誕生于20 世紀80 年代的1.56米光學望遠鏡就是一臺卡塞格林式結構的反射式望遠鏡， 如圖2 所示。這臺望遠鏡由南北兩座基敦支撐起環(huán)形的支架，一高一低的兩座基敦使得望遠鏡呈現(xiàn)北高南低的形態(tài)與上海地區(qū)的地理緯度(北緯31度)相同。叉軛式赤道結構可以抵消由地球自西向東進行轉動所產生的周日視運動，使得天文望遠鏡可以對天體進行穩(wěn)定地跟蹤。該望遠鏡的末端裝有專業(yè)CCD照相機，用于采集天體的圖像。與一般家用望遠鏡主要用于目視觀測不同，專業(yè)的天文望遠鏡均會配置數(shù)據(jù)采集終端。而科學家正是通過分析和研究這些圖像或光譜數(shù)據(jù)，去揭示天體的物理化學特性。

圖2 上海天文臺的1.56 米光學望遠鏡

隨著天文學研究的不斷深入，人們對天文望遠鏡的觀測精度也提出了更高的要求。在計算機技術和精密控制技術的助力下，天文望遠鏡的制造與控制技術也發(fā)生了天翻地覆的變化。

一方面隨著天文望遠鏡越造越大，望遠鏡鏡片的加工能力受到了極大的挑戰(zhàn)。因此科學家們研究出了多鏡片拼接技術。如圖3 所示，座落在我國河北興隆的郭守敬望遠鏡的主鏡便是由37 塊1.1 m六角形子鏡拼接成6.67 m×6.58 m的主鏡，以及24 塊1.1 m六角形子鏡拼接成的5.72 m×4.4 m 反射施密特改正鏡。位于夏威夷群島的凱克望遠鏡更是這一技術的代表之作。兩臺凱克望遠鏡的口徑均為10 米，由36 塊1.8 米大小的六邊形鏡片拼接而成。多鏡片拼接技術的成功為后續(xù)建造更大天文望遠鏡奠定了基礎。這使得科學家們建設大口徑望遠鏡的目標從米級提升到了數(shù)十米級別。

圖3 郭守敬望遠鏡的主鏡

另一方面，為了克服鏡片重力和溫度引起的變形，現(xiàn)代大型天文望遠鏡還采用主動光學技術。仍以郭守敬望遠鏡為例，其主鏡在主動光學系統(tǒng)的支持下在觀測過程中對鏡片進行實時調整，從而使得望遠鏡的觀測效果始終保持較高水平?，F(xiàn)代天文望遠鏡的第三項重要技術稱之為“自適應光學技術”。為了克服大氣湍流帶來的天體圖像抖動的問題，科學家們將天文望遠鏡建設在人跡罕至的沙漠和高原。科學家們通過技術手段測定大氣湍流的情況，通過計算機控制改正鏡或主鏡對光線的畸變進行補償，從而降低大氣擾動對于天文觀測的影響，獲得更高的觀測精度。

而為了徹底擺脫大氣層的影響，科學家們還將天文望遠鏡從地面搬上太空。以哈勃望遠鏡為代表的一批太空望遠鏡擺脫了大氣層的干擾，甚至不再受日夜變化的影響全天候地開展天文觀測。

近年來，光學干涉技術也在不斷地發(fā)展。歐洲南方天文臺建設在智利的甚大望遠鏡便是由4 臺8.2 m口徑的望遠鏡構成。這4臺望遠鏡既可以單獨觀測也可以作為光學干涉儀進行觀測。結合前面所講到的主動光學和自適應光學技術，甚大望遠鏡達到16 米口徑望遠鏡的聚光能力以及130米口徑望遠鏡的分辨能力。

可見光作為電磁波的一部分，是人們觀測天體最早使用的電磁波窗口。但是，天體的輻射同樣體現(xiàn)在電磁波的其他波段，包括X 射線、伽馬射線、紫外線、紅外線以及射電波段。射電望遠鏡用于接收來自于遙遠天體發(fā)出的射電信息。

座落在上海天馬山附近的口徑為65 米的天馬望遠鏡是亞洲最大的可轉動射電望遠鏡，如圖4 所示。整架望遠鏡總重達2700 噸，運轉在直徑50 米的鋼制軌道上，而軌道的沉降誤差嚴格控制在0.5 毫米內。在計算機的控制下，天馬望遠鏡的碟形天線可以同時在俯仰和水平兩個方向上緩慢轉動，從而跟蹤天體進行連續(xù)觀測。天馬望遠鏡也采用了主動光學技術的類似技術，在反射面板下安裝了數(shù)以千計的觸動器。無論望遠鏡轉向任何方向，金屬反射面都會在計算機的控制下保持一個完美的反射面，從而保證最佳的觀測效果。與之相比，位于貴州省的中國天眼FAST 則更為巨大。這些巨大的射電望遠鏡接收來自遙遠天體的無線電波，成為科學家們探索宇宙的另一個重要手段。

圖4 口徑為65 米的天馬望遠鏡

射電望遠鏡不僅可以單獨一臺進行觀測，在高精度原子鐘以及高速互聯(lián)網的支持下還可以通過組網的方式進行聯(lián)合觀測?，F(xiàn)在，上海、北京、云南、新疆的多臺射電望遠鏡和位于上海天文臺的數(shù)據(jù)處理中心，組成了我國的甚長基線干涉測量網。這個觀測網的觀測分辨率相當于一臺口徑達到3000千米的大型射電望遠鏡。甚長基線干涉測量技術不僅在天文學研究上發(fā)揮了重要的作用，還服務于我國嫦娥探月工程和未來的深空探測項目之中。

除了射電望遠鏡之外，天文學家們還開發(fā)出針對X 射線、伽馬射線、紅外線和紫外線等波段進行觀測的天文望遠鏡。但是由于大氣層對于這些電磁波段有比較強的阻礙作用，因此這些望遠鏡通常會被發(fā)射到太空之中，幫助科學家們在太空中進行觀測和研究。例如，2017 年6 月15 日，中國第一個空間天文衛(wèi)星——“慧眼”硬X射線調制望遠鏡(圖5)發(fā)射成功并開展科學觀測；以中國科學院國家天文臺科研人員為首的科學家們提出的愛因斯坦探針衛(wèi)星項目(Einstein Probe；EP)也即將在X射線波段的觀測上大放異彩。

圖5 “慧眼”硬X射線調制望遠鏡的藝術想象圖(圖片來源于網絡)

要想觀察到遙遠的天體就需要遠離城市，因為人類的活動對于天文觀測會造成相當多的不利影響。首先，城市的泛光照明所產生的光污染使得背景天空亮度提升，降低了天文望遠鏡觀察暗弱天體的能力。其次，人類現(xiàn)代生活產生的無線電波對于射電觀測也會產生干擾。因此，專業(yè)天文臺的觀測站都會建設在遠離城市的山上或是沙漠里。在我國研制的嫦娥三號月球探測器上攜帶了一臺月基光學天文望遠鏡，首次在月球上進行天文光學觀測。2019 年初著落月球背面的嫦娥四號攜帶了長波射電望遠鏡，徹底擺脫了地球上人類活動所產生的無線電波對射電觀測的影響。

天文望遠鏡的進步推動了科學的發(fā)展，望遠鏡誕生后的四百年來，人們的目光已從我們身處的太陽系延伸到遙遠宇宙深處。隨著探索的不斷深入，科學家們對望遠鏡也提出了更高的要求。相信在不久的將來，更大口徑的天文望遠鏡以及坐落于月球的天文望遠鏡會繼續(xù)助力科學家們不斷揭示宇宙的奧秘。