帕洛玛天文台5.08米口径海尔望远镜

□赵致真

天文学不仅是古代科学的源头和摇篮，也是近代科学的重镇和前沿。在银河系的万家灯火中，人类在一盏叫做太阳的温暖灯光下成长了自己的文明，并向着辽阔的宇宙张望。我们今天已经把望远镜伸向100亿光年之外的太空深处，我们的航天器已经飞向茫茫银河之滨。我们已经在探索黑洞、类星体、暗物质、暗能量的奥秘，并推究宇宙的起源和终结。大自然也许正是通过进化出人类来实现自我认识的。

1933年芝加哥世博会没有请总统按下金键钮。开幕式的指令来自遥远苍穹的“星星之火”。叶凯士天文台用1米口径、世界上最大的折射望远镜对准牧夫座α，即北半球夜空最明亮的大角星，将捕捉到的光线转化为电信号输送到世博会的阿德勒天文馆，开启了展区的万盏华灯和千尺喷泉。大角星距离地球约40光年，因此1933年“到达”芝加哥世博会的大角星光线恰恰是1893年芝加哥世博会期间“出发”的。这一设计最巧妙地体现了两届世博会的传承和联系。大角星由此变得家喻户晓。三五成群的公众仰望星空指指点点，成了这届世博会的独特景观。

1851年伦敦世博会上，著名的罗斯天文望远镜和库克天文望远镜便巍然雄踞在水晶宫中央。1867年巴黎世博会的西克雷坦公司大型天文望远镜、1876年费城世博会的海军天文台望远镜，都点染着展区的现代气息和科技品位。1893年芝加哥世博会上，叶凯士望远镜的镜片尚未打磨成功，便迫不及待地向公众展示了18米长的镜筒和18吨重的镜身。最轰动一时的望远镜出现在1900年巴黎世博会上，这是法国人德隆科尔制造的长60米、口径1.25米的“观天巨眼”。超高超重的身躯根本无法竖起，只能横卧在离地面7米高的水平支架上，靠一面镜子反射输入光线。这台望远镜完全是为世博会展览制作的，并没有考虑实用性，世博会闭幕后找不到一家买主，只能以解体告终，仅剩下硕大的镜头还保存在巴黎天文台，成为望远镜制造历史上科研与经营双重失败的典型案例。

无法逾越的巨大尺度使天文学难以成为实验科学，一切研究只能靠细微的观察和精密的计算。因此，没有望远镜就没有现代天文学。1608年荷兰眼镜制造商利普赛发明望远镜后，伽利略立即加以改造并指向苍穹，成为“发现新天空”的“哥伦布”。这是一个用平凸透镜做物镜，以凹透镜做目镜的简单光学装置，直径4.2厘米的大眼睛能比裸眼捕捉更多的光线并汇聚在目镜后，让人看到一个更大、更亮的虚像。1610年，伽利略发表了划时代的著作《星际使者》，朦胧的银河原来是无边的星海，皎洁的月亮竟然布满了环形山，哪知灿烂的太阳会有黑子，而金星的相位变化和木星的4颗卫星恰恰是日心说最可靠的证据。伽利略手中的两小块玻璃永远改变了人类和自然的关系。1611年，开普勒将目镜换成凸透镜并置于物镜的焦点之后，从而看到一个放大的颠倒实像。开普勒望远镜视场更宽广、成像更清晰。增大口径为了收集更多光线，降低曲率能减少球面像差，正是不断加长的焦距，形成了开普勒望远镜修长而壮观的独特造型。

由于不同波长的光线经过透镜时折射率不同，难免带来彩虹般的色差；巨大的镜片只能靠边框支撑，长期重力作用会造成形变而影响精度。1668年，牛顿制造了第一架反射望远镜。将折射光线的凸透镜变成了反射光线的凹面镜，主镜尺寸更容易增大，而且能用更多支撑点承受自身重量。反射望远镜很快成了大型天文台的首选和主流。1851年伦敦世博会举办时，天文学已经硕果累累。惠更斯、卡西尼、哈雷、赫歇尔、梅西耶、皮亚齐、夫朗禾费等一代代天文大师炳若群星，罗斯伯爵的1.8米反射望远镜已经能够看到遥远的旋涡星系。而真正把望远镜神话推向高潮的是天文奇才海尔，他以“三级跳”的跨越，连续制造了1.53米口径的威尔逊天文台望远镜，2.54米口径的胡克望远镜和5.08米口径的海尔望远镜。1923年，哈勃就是用胡克望远镜发现仙女座等星系都是我们银河系之外遥远的“宇宙岛”，1929年观测到遥远天体的光波被“拉长”而向光谱红端移动，并且“红移”量和距离成正比，为宇宙膨胀理论找到最确凿的证据。此后更大的反射望远镜不断问世。1930年，施密特集中了折射和反射式望远镜的优点，制造出视场大、像差小的折反式望远镜。天文摄影技术也日臻成熟。观测工具的每次升级换代，都带来了天文学的新飞跃和大丰收。

1962年西雅图世博会开幕式的设计可谓独出心裁和别开生面。正在佛罗里达棕榈滩度假的肯尼迪总统按动“金键钮”，首先触发远在缅因州安杜夫的大型射电望远镜，接收到10000光年外仙后座A超新星遗迹的电磁辐射，这是天空中强度仅次于太阳的射电源，再将信号转送到西雅图世博会场。刹那间无数声光电设备同时发动，2000个气球腾空而起。这一开启仪式无疑最能紧扣“太空时代的人类”主题，和1933年用大角星光线启动芝加哥世博会相比，天文学更加突飞猛进，“射电天文学”已经成为异军突起的全新分支。

人类眼中的“万紫千红”原来只是电磁波中380纳米到750纳米波长的“可见光”，对于红外和紫外的波段我们就“有眼如盲”，光学望远镜也“视而不见”了。射电天文学的观测领域是天体发出的无线电波,波长从1毫米到30米之间。这是我们通过大气层瞭望太空的又一个宝贵窗口。1931年8月，贝尔电话实验室工程师央斯基为了搜寻无线通讯中的天电干扰，在新泽西制作了一架30多米长的天线阵，安装在4个福特T型汽车轮子上。这座“央斯基旋转木马”无意中接收到了来自人马座方向银河系中心稳定的无线电波，从此宣告了射电天文学的诞生。1937年，美国工程师雷伯制造了第一架射电望远镜，并在1941年扫描天宇，得到最早的银河系射电天图。由于可见光在传播中会被星际尘埃阻挡，而无线电波却可以长驱直入，还有些天体只发出“非热辐射”，因此射电望远镜送来了许多新的谜团和答案。望远镜的空间分辨率和口径成正比，和波长成反比，无线电波段的波长比光学波段长百万倍，难怪射电望远镜个个看上去都“大模大样”和“大摇大摆”了。英国洛弗尔射电望远镜口径76米，澳大利亚帕克斯射电望远镜口径64米，德国埃费尔斯贝格射电望远镜和美国格林班克射电望远镜口径均为100米，1963年建成的阿雷西伯射电望远镜口径达305米。英国科学家赖尔1946年便制造出射电干涉仪，将一定距离下两个天线信号的相位进行叠加，从而提高射电望远镜分辨率。1971年在剑桥大学建成综合孔径射电望远镜，8面13米口径的抛物面天线排列在5000米长的基线上，美国、荷兰、澳大利亚、印度急起直追，射电望远镜的灵敏度、分辨率和成像效果已经和光学望远镜并驾齐驱了。类星体、脉冲星、星际分子、微波背景辐射，20世纪60年代天文学的这“四大发现”都是射电望远镜划时代的独特贡献。（未完待续）

《科学时报》 (2010-10-13 A3 综合)

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