科技史上的今天 | 1609·8·21人類第一架天文望遠(yuǎn)鏡誕生
來源:科普中國
發(fā)布時(shí)間:2024-08-21
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自古以來,人類對于遙遠(yuǎn)星空的探索從未停歇。望遠(yuǎn)鏡,作為觀測遙遠(yuǎn)天體的利器,其發(fā)展歷程不僅見證了人類對宇宙認(rèn)知的逐步深化,也體現(xiàn)了科技文明的輝煌進(jìn)步。1609年8月21日,意大利科學(xué)家伽利略發(fā)明了第一架天文望遠(yuǎn)鏡,為天文學(xué)的發(fā)展帶來了革命性的變化。從最早的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡到現(xiàn)代的空間望遠(yuǎn)鏡,這一歷程不僅見證了人類對宇宙的認(rèn)識不斷深入,同時(shí)也展現(xiàn)了科技發(fā)展的巨大力量。

◆古代望遠(yuǎn)鏡的萌芽

早在公元前4世紀(jì),古希臘哲學(xué)家亞里士多德就提出了使用凸透鏡來放大物體的方法,這為望遠(yuǎn)鏡的誕生埋下了伏筆。1608年,一位荷蘭的眼鏡制造商漢斯·利伯希首先開創(chuàng)了這一偉大發(fā)明。他在商店前看到兩個(gè)小孩正通過前后兩塊透鏡看遠(yuǎn)處教堂上的風(fēng)標(biāo),于是他也開始嘗試,發(fā)現(xiàn)用兩片眼鏡鏡片觀察時(shí),遠(yuǎn)處的風(fēng)標(biāo)被放大了許多,于是嘗試將兩個(gè)鏡片組裝在一起,用一根管子作為骨架,經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn),最終成功組裝出了歷史上第一架望遠(yuǎn)鏡,他的這一發(fā)明被廣泛認(rèn)為是現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡的起源。

1609年,意大利天文學(xué)家伽利略·伽利雷對望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了改進(jìn),他使用凸透鏡代替了凹透鏡,制作了長約1.2米、口徑約4厘米的折射望遠(yuǎn)鏡,能將物體放大20倍到30倍左右,使其具有更高的放大倍數(shù)和更好的成像質(zhì)量,讓觀察圖像更加清晰。伽利略總共制造了大約30架望遠(yuǎn)鏡,其中有10架都用于天空觀測。他將其用于科學(xué)地觀測月球表面,實(shí)現(xiàn)了人類首次對月球的科學(xué)觀測,在這之后,依靠自制設(shè)備開展了太陽系的系統(tǒng)性研究,伽利略對金星位相變化、木星的4顆衛(wèi)星和太陽黑子等現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的記述,為哥白尼“日心說”找到了事實(shí)依據(jù),為了紀(jì)念這個(gè)發(fā)現(xiàn),人們將4個(gè)比較大的木星衛(wèi)星命名為“伽利略衛(wèi)星”。

伽利略的望遠(yuǎn)鏡也被認(rèn)為是世界上第一臺天文望遠(yuǎn)鏡,為天文學(xué)的發(fā)展帶來了革命性的變化。

◆近代望遠(yuǎn)鏡的崛起

1668年,牛頓制造了世界上第一臺反射式望遠(yuǎn)鏡,這臺望遠(yuǎn)鏡口徑為25毫米,主鏡采用球面鏡。這臺望遠(yuǎn)鏡雖然性能并不能稱得上良好,但以反射鏡替代折射鏡卻可以稱得上是一個(gè)巨大的進(jìn)步。

然而,因?yàn)榍蛎骁R帶來的球差非常嚴(yán)重,而拋物面加工困難,所以反射式望遠(yuǎn)鏡在其誕生的100年內(nèi)并沒有太多發(fā)展。18世紀(jì)的工業(yè)革命為其帶來了制造技術(shù)的保證,1773年,英國天文學(xué)家威廉·赫歇爾制作了一臺口徑達(dá)1300毫米的反射式望遠(yuǎn)鏡,并用這臺望遠(yuǎn)鏡于1781年首先發(fā)現(xiàn)了天王星。與牛頓式不同的是,這臺被戲稱為“大炮”的望遠(yuǎn)鏡省去了反射副鏡,主反射鏡傾斜放置,需要觀測者站在高高的鏡筒口俯視。赫歇爾一生親手磨制了400多個(gè)鏡面,記錄下117600顆恒星的數(shù)據(jù),并嘗試描述出了銀河系的結(jié)構(gòu)??梢哉f,是他對制鏡技術(shù)的執(zhí)著將人類帶入了恒星天文學(xué)的年代。

進(jìn)入20世紀(jì),反射式望遠(yuǎn)鏡迎來了它的黃金年代。1908年落成的威爾遜山望遠(yuǎn)鏡口徑達(dá)到1.5米,1917年投入使用的胡克望遠(yuǎn)鏡口徑達(dá)2.5米,1948年投入使用的海爾望遠(yuǎn)鏡口徑已達(dá)到5米。

相比于反射望遠(yuǎn)鏡的迅速發(fā)展,折射鏡作為先產(chǎn)生的望遠(yuǎn)鏡類型,由于大尺寸透鏡的加工難度,而發(fā)展較為緩慢。直到1757年,法國化學(xué)家杜隆建立了初步的色差理論,提出并制造了消色差透鏡,折射式望遠(yuǎn)鏡才迎來了它的又一飛速發(fā)展的歷史階段。折射望遠(yuǎn)鏡的代表是1897年建成的,世界上最大的折射式望遠(yuǎn)鏡--口徑達(dá)1.02米的葉凱士望遠(yuǎn)鏡。然而,自葉凱士望遠(yuǎn)鏡以后,折射望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展似乎已達(dá)到極限,因?yàn)橥哥R越大、越重,就越容易從中央凹陷變形,久而久之會影響觀測質(zhì)量。

◆現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡的黃金時(shí)代

近40年是天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)展的黃金年代,各式各樣種類繁多功能各異的望遠(yuǎn)鏡紛紛被投入使用。

如今望遠(yuǎn)鏡已突破了可見光波段的藩籬,邁向全波段的觀測。從伽馬波段的“悟空”,到可見光與近紅外波段的地基望遠(yuǎn)鏡凱克和天基望遠(yuǎn)鏡哈勃,再到射電波段的“天眼”(FAST)。同時(shí),望遠(yuǎn)鏡的功能也極大豐富了,而不是僅限于過去的圖像攝影分析?,F(xiàn)代的可見光與近紅外望遠(yuǎn)鏡從功能上主要分為三大類,第一類是以8.2米口徑的甚大望遠(yuǎn)鏡為代表的通用型望遠(yuǎn)鏡,第二類是以8.4米口徑的大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡(LSST)為代表的大型圖像巡天望遠(yuǎn)鏡,第三類是以4米口徑的郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)為代表的光譜巡天望遠(yuǎn)鏡。

現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡中,許多望遠(yuǎn)鏡為我們提供了寶貴的觀測數(shù)據(jù),極大促進(jìn)了天文學(xué),宇宙學(xué)和物理學(xué)的發(fā)展。其中的數(shù)個(gè)望遠(yuǎn)鏡更是科學(xué)發(fā)展史上的里程碑。帕洛瑪海爾望遠(yuǎn)鏡是世界上第一個(gè)口徑突破3米的現(xiàn)代科學(xué)望遠(yuǎn)鏡,口徑達(dá)到5米,它于1930年開始興建,1948年建成,它的數(shù)據(jù)幫助人們破解了重元素的產(chǎn)生之謎。它至今仍處于工作狀態(tài)。斯隆數(shù)字巡天望遠(yuǎn)鏡是目前世界上科學(xué)成果產(chǎn)量最豐富的望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目,它興建于1986年,建成于1998年,雖然該望遠(yuǎn)鏡的口徑只有2.5米,但它的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了近9000篇論文,共計(jì)47萬余次引用。它至今仍在產(chǎn)出豐富的數(shù)據(jù)以供天文學(xué)家們探尋宇宙奧秘。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡是人類歷史上第一臺太空天文望遠(yuǎn)鏡,它突破了大氣層對于觀測的阻礙,將人類望遠(yuǎn)鏡的分辨能力第一次提升至衍射極限,大大豐富了人類對于宇宙的認(rèn)知。1990年4月24日,哈勃太空望遠(yuǎn)鏡隨“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機(jī)升空,隨后進(jìn)入距地600公里的環(huán)繞軌道。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)部分采用卡塞格林式反射系統(tǒng),由兩個(gè)雙曲面反射鏡組成,主鏡口徑2.4米,副鏡口徑0.4米。光線從主鏡反射到副鏡,再射向主鏡的中心孔達(dá)到主鏡焦面上成像,經(jīng)精密儀器處理后,數(shù)據(jù)通過中繼衛(wèi)星發(fā)回地面。

由于沒有了大氣層的干擾,哈勃可觀測到的距離是地面最強(qiáng)的海爾望遠(yuǎn)鏡的7倍,可探測的宇宙空間是其350倍,圖像清晰度也可以達(dá)到地上觀測的10倍。哈勃望遠(yuǎn)鏡向地球發(fā)回超深空視場的影像,幫助解決了長期困擾天文學(xué)家的許多基本問題,包括推算出哈勃常數(shù),將宇宙年齡確定為137億年。

綜合自《華中天文》《觀天巨眼》、光明網(wǎng)

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