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天文望远镜之——洞察宇宙的“千里眼”

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作者:温学诗,吴鑫其发布时间:2012年07月17日来源:点击数:

天文望远镜

四百年前历史上第一具天文望远镜问世。这是天文学史上划时代的创举,也是现代科学萌芽时期的第一个重大发明。这具望远镜的聚光能力大于肉眼约一百倍,当时是眼睛“望远功能”的巨大延伸。它在伽利略手中立即成为科研利器,很短时间里便取得了一系列突破性的天文发现。继后的历史发展见证了现代科技登上历史舞台的气势。到今天,即将出台的望远镜的聚光能力将超过伽利略望远镜一百万倍;作为广义的“眼的延伸”,各类天文望远镜感应的辐射范围已远远不限于肉眼所及的”可见光”。而是遍及全部电磁波谱(射电波、红外线、可见光、紫外线、x射线、γ射线等各个波段);_些射电望远镜系统的“分辨能办”分辨细微天体细节的能力)已经达到了相当于能够在北京分辨出远在天津的两根并在一起的头发丝……。现在国际上每十年平均总投入不下六七十亿美元,把各类天文望远镜的功能“升级一代”。可以想象,这种大规模、高速度、巨投入的发展包含了许多动人心弦的故事。

在举世纪念望远镜诞生四百年之际,我非常高兴地看到这一段动人心弦的历史适时地在我国介绍。本书的两位作者以他们一贯的缜密、平易的笔法,为我们讲述了这些故事。

一、天体辐射和大气窗口

早期的天文望远镜都是光学望远镜,只能用来观测天体发出的可见光。 可见光有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。我们平时看到的白色太阳光 就是由这七种颜色的光混合而成的。天体除了发出可见光之外,还发出许多种 我们人类的眼睛看不见的光线’如射电波(实际上就是无线电波,天文学上将 其称作射电波〕、红外线、紫外线、X射线、、射线等。古代和近代的天文学 家不知道这些不可见光线的存在,他们只能在可见光范围内观察宇宙、研究天 体。近一二百年以来,人们才陆续地发现了天体发出的这些看不见的光线, 并且陆续地研制出观测它们的望远镜,使人类对宇宙的认识越来越全面、越来 越深入。

天体发出的这些可见光和看不见的光线我们感觉上似乎区别很大,其实它们的本质是相同的,即它们都是“电磁波”。因此,天文学家称天体发出的 这些电磁波为天体辐射。天体的辐射范围很广,红色光是可见光当中波长最长 的,红外线和无线电波比红色光的波长更长。紫色光是可见光当中波长最短 的,紫外线、X射线、7射线都比紫外线的波长更短。由此可知,这些电磁波 之所以在外在形态上表现出很大的不同,只不过是因为它们的波长各不相同罢 了。让我们来看看它们的波长各有多大

      虽然天体各种辐射的本质没有不同,但是地球大气对它们的反应却有 很大的差别。许多波段的辐射在地球大气层中受到反射、吸收或者散射,根 本无法到达地球表面’只有少数波段的辐射可以穿透地球大气层到达地球表 面,这就好像是地球大气专门为这些波段敞开了一扇扇的窗口。

      那么,具体说来地球大气窗口都有哪些呢?可见光和射电波可以透过 地球大气,到达地球表面,因此分别将可见光和射电波的波段叫做光学窗口 和射电窗口。绝大多数红外波段的辐射都会在地球大气中被大气中的水汽、 二氧化碳、臭氧等各种分子所吸收,只有从近红外到中红外之间的一小段波 长,即从1 ^微米到21微米之间这一小段波长的红外辐射能够穿透地球大气’ 到达地球表面,因此将这一红外波段叫做指定波长的红外窗口。

      至于紫外线、X射线和7射线,地球大气对它们都有严重的吸收。如大 气中的氧、臭氧和氮,强烈吸收天体射来的紫外线;而低层大气中的水汽, 强烈吸收天体的X射线和7射线等短波辐射。因此,紫外线、X射线和7射线 都被地球大气阻挡在它的外面了 ’地球大气对它们没有敞开窗口。

二、全波段的天文望远镜

天文望远镜

      人们要探索 宇宙奥秘,就要 全面地研究天体 各种辐射之谜, 就要想方设法对 天体各个波段的 辐射全都进行观 测。于是,接收 和探测天体各个 波段的、各种各 样的仪器相继问 世了。仿照光学 望远镜的命名方 法,它们也都被 命名为望远镜,

      并且往往在其前面说明是什么波段的,例如红外望远镜、紫外望远镜、射电 望远镜,等等。从此,望远镜一词的含义已经不仅仅是单一的光学望远镜, 天文学也进入了全波段的研究阶段了。

      光学望远镜,自1609年伽利略将其用于天文观察,至今已有整整400年的历史了。400年来,光学望远镜得到了长 足的发展。当年,伽利略使用的望远镜口 径仅仅只有几个厘米,而今,天文爱好者 都已不满足于这个尺寸的望远镜,全世界 天文学家使用的光学望远镜口径达到8米到 10米量级的已经有10架以上。它们当中的 佼佼者有位于美国夏威夷莫纳克亚岛上的 口径10米的凯克“双胞胎”,位于南半球 智利的口径8.2米的甚大望远镜, 等等。虽然它们都是一些有几层楼高的庞 然大物,但是它们都动作灵活、行动方便,完全是自动化控制。而且望远镜的终端早已由电荷耦合器件(即CCD, 将它用在普通照相机上面,就是我们熟悉的数码相机)取代了照相底片。目 前高度发达的通信技术,让天文学家能够远在千里万里之外随时遥控望远镜的观测。

      更值得一提的是于1990年4月被送到距离地面大约600千米的环绕地球轨 道上的哈勃空间望远镜。这是一架重量超过11吨、主镜口径2.4米、装备了 多种观测设备的望远镜,是迄今为止人类送上太空的最大的光学望远镜。它 不受地球大气层的干扰,观测精度大大超过了地面上的望远镜。十几年来, “哈勃”为我们揭示了宇宙中许多壮丽的天体与天文事件,促使天文学得到 了重要进展。许多天文学家认为,“哈勃”辉煌的一生是天文学研究的黄金 时代,历史上,很少有哪一架望远镜能够像哈勃空间望远镜这样,对天文学 研究产生如此深远的影响。

      射电望远镜的历史至今仅仅70年的时间。1932年,美国贝尔电话实验室 的工程师央斯基在寻找短波无线电通信中的干扰源时,无意中发现了来自银 河系中心方向的射电波,从而揭开了射电天文学的序幕。六年以后,美国的 另一位无线电工程师雷伯制造了世界上第一架专门用来观测宇宙射电波的射 电望远镜。这架射电望远镜与光学望远镜区别很大。它有一面直径大约9.57米 的金属抛物面天线,还有一台配套的接收机。抛物面天线是接收天体发来的 信号的,相当于光学望远镜的物镜,接收机的作用是把信号放大,并转变为 可记录的信号后,通过记录仪记录下来。、就在从20世纪30年代至今短短七十 多年的时间内,射电望远镜和射电天文学都得到了突飞猛进的发展,作出了 多次震惊世界的重大发现,并有五项重大成果荣获诺贝尔物理学奖。这些获 得诺贝尔奖的项目分别是:1974年,赖尔因发明综合口径射电望远镜和对遥远星系的观测而获奖,休伊什因发现脉冲星而获奖;1978年,彭齐亚斯和威 尔逊因发现宇宙微波背景辐射而获奖;1993年,赫尔斯和泰勒因发现射电脉 冲双星和间接验证广义相对论预言的引力辐射而获奖;2006年,约翰,马瑟 和乔治”思穆特因发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性,将宇宙 学推向了更加精确的研究时代而获奖。

      红外线是一种波长比可见光的波长长一些的电磁波,波长在0.77微米到 1 000微米之间,只有1.2微米到21微米之间的红外线能够穿过地球大气而被我 们接收到,其余波段的红外线会被大气吸收。因此红外望远镜分为两大类, 一类是建在地面上的,另一类是借助气球、火箭或人造卫星送到地球大气层 以外的。许多低温天体我们看不见它们,但却可以通过观测它们发射的红外 线来窥视这些天体的奥秘。由于任何物体都在发射红外线,因此红外望远镜 要尽量避免望远镜本身可能给观测造成的影响,如主副镜都要镀上最不发热 的反射材料金或银,使用时最好能将望远镜冷却,等等。近年来,有不少国 家都把红外望远镜建在南极大陆上,就是为了达到这个目的。我国国家天文 台兴隆观测站有一台口径1.26米的红外望远镜,已在红外天文领域作出了不少成绩。由于任何天体都能发射红外线,红外波段的观测对于天文学家来说实 |节 在是太重要了。因此,近几年建成的超大型光学望远镜,如美国的凯克望远 3 镜,欧洲的望远镜,日本的昴星团望远镜等,无一不被设计成既能作可 见光的观测也能作红外波段观测的两用望远镜。最近在大西洋加那利群岛上 ;0 即将落成的西班牙与墨西哥和美国合作的10.4米口径的望远镜,也是以红外观 测为主。

      20世纪六七十年代,人们还经常把红外望远镜装在飞机上,飞到高空中 ! ^ 去观测。八十年代以后,人们发射了不少红外天文卫星(这一名称是根据外 ^ 文原名翻译过来的,其实就是空间红外望远镜)。比较著名的有美、英、荷 等几国合作的“艾拉斯”,简称1凡人5,1983年发射。还有欧洲几国合作的 “艾索”,简称150,1995年发射。2003年8月25日,美国宇航局将一台大型 红外望远镜“斯必泽”送入太空。“斯必泽”望远镜总重865千克,其镜身长 4.45米,直径约2米,主镜是一个直径85厘米的透镜,能够观测宇宙天体发出 的3〜180微米的红外辐射。这是迄今为止世界上最大的,也是灵敏度最高的 空间红外望远镜,通过它人们获得了许多重要的新发现。

天文望远镜

      从紫外线到X射线和1射线统称为高能辐射。紫外线是一种波长比可见光 波长短一些的电磁波,天体的温度越高,发出的紫外线就越强。X射线又叫伦 琴射线,因为它是德国物理学家伦琴于1895年首先发现的,它的波长比紫外线 还短。7射线是波长比X射线更短的一种电磁波,天体发出的7射线一般都比较弱。这些高能辐射有一个共同的特点,那就是它们都会对地球上的各种生物 以及我们人类自己的身体造成危害。然而,地球周围浓密的大气对这些高能辐 射有很强的吸收作用。因此,各种生物和我们人类都避免了它们的危害,能自 由自在、安然无恙地在地球上繁衍生息。但是地球大气对天体高能辐射的严重 吸收,又给我们的观测研究带来了很大的困难。科学家们不得不利用高空气 球、火箭和人造卫星跑到大气层之外去探测天体的这些高能辐射。

      进入空间时代以来,人类已经陆续发射了好几个空间紫外望远镜。1978 年欧美合作的“国际紫外探测者”,简称携带了一台口径45厘米的反 射镜和两台紫外光谱仪,已经给我们带来了许多天体紫外辐射方面的信息。 最成功的还是2003年美国发射的“星系演化探测器”,它获得了许多重要的 发现。如发现宇宙中数十个诞生不久的大型年轻星系。科学家们希望,对于 这些星系的研究可以帮助人们了解银河系年轻时的状况。2006年12月,它又 发现一个巨大的黑洞正将它的黑手伸向一颗恒星。此次发现是天文学家第一 次目睹一个黑洞呑噬一颗恒星的全过程一一从第一 口‘到最后一 口。这将帮助 天文学家更好地研究宇宙中的黑洞,了解它们是如何在其主宰的星系中“进 食”和“成长”的。

      对天体X射线的观测始 于20世纪40年代利用火箭对 太阳的观测。60年代以后 发射的X射线天文台(这一 名称也是根据外文原名翻 译而来,其实就是空间X射 线望远镜)也不少,其中 “伦琴X射线天文台”是它 们当中的一个佼佼者。伦琴 X射线天文台的命名是纪念 X射线的发现者伦琴,简称 反05八丁,是以德国为主与 其他几个国家合作制造的。 1988年发射上天,仅两年时间发现近10万个天体X射线源。但是,1999年美国 发射的“钱德拉X射线天文台”又大大地超过了 “伦琴”。它是为纪念美籍印 度著名天文学家钱德拉塞卡而命名的。这是美国宇航局有史以来太空计划中 最昂贵的项目之一,从设计到发射历经22年,耗资15亿美元。它的主体是一 台大型的掠式X射线望远镜,是一种可以把天体的X射线辐射转换成图像的仪 器,已经为我们发回了许多天体的X射线图像。

      由于天体发出的7射线很暗弱,探测起来比较困难。自从1960年第一次用 气球进行了天体的7射线探测,紧跟着第二年又用人造卫星进行了探测之后, 几十年来人们对天体的7射线探测也有了很大的发展。1991年4月升空的康普 顿7射线天文台,在太空中工作了近10年,取得了许多重要的观测资料。

      总而言之,有了这些望远镜,天文学家就可以毫无遗漏地得到宇宙天体 各个波段的辐射和信息了。透过这一只只观天巨眼,展现在人们面前的天体 越来越丰富多彩,宇宙越来越博大深沉。可以说,一部望远镜的发展史几乎 就是整整一部近代的天文学历史。在天文望远镜诞生400周年的时候,我们来 回顾一下几百年来历代天文学家为发展望远镜和天文学事业的感人事迹,以 及望远镜为人类认识宇宙所作出的巨大贡献,该是多么有意义而又有趣味的 事情啊!

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