文/ 葉楠

照相術(shù)與新世紀(jì)的望遠(yuǎn)鏡

歷史的車輪不斷向前邁進(jìn)，天文望遠(yuǎn)鏡的制造工藝也在快速發(fā)展著。伽利略第一次指向夜空的望遠(yuǎn)鏡口徑僅1.5 厘米，牛頓設(shè)計(jì)的第一臺(tái)反射望遠(yuǎn)鏡口徑也只有3.3 厘米。之后兩個(gè)多世紀(jì)里，在惠更斯、肖特、赫歇爾、克拉克父子等制鏡大師們的努力下，望遠(yuǎn)鏡的口徑突破了1 米。天文學(xué)家們變得越來越忙碌，因?yàn)槔眠@些望遠(yuǎn)鏡人們觀測到的天體數(shù)量是肉眼可見的億萬倍，有太多天體值得人們?nèi)パ芯?。?0 世紀(jì)以前，雖然日心說已經(jīng)深入人心，但是人類對于宇宙的概念還是局限在銀河系之內(nèi)，天上那些深空天體除了星團(tuán)以外都被認(rèn)為是銀河系內(nèi)的星云。到了20 世紀(jì)初，人類對于太陽系的認(rèn)識(shí)已經(jīng)拓展到了海王星附近，而海王星之外的世界我們還是一片未知。

照相術(shù)的發(fā)明

現(xiàn)存最古老的照片是由法國人尼埃普斯于1826 年拍攝的，他將瀝青涂在一種熔點(diǎn)非常低的鉛錫合金上，經(jīng)過長達(dá)8 個(gè)小時(shí)的曝光獲得了《窗外的風(fēng)景》這張照片（右圖）。尼埃普斯稱這種技術(shù)為日光蝕刻法，不過這項(xiàng)技術(shù)并未完善他就去世了。法國畫家達(dá)蓋爾繼續(xù)尼埃普斯的研究，發(fā)明了銀版照相術(shù)。法國政府于1839 年買下了他的專利權(quán)，宣告照相術(shù)的誕生。不過早期的銀版照相術(shù)需要的曝光時(shí)間最短也要十幾分鐘，很難拍攝肖像和移動(dòng)的物體。1841年，法國攝影師克勞德發(fā)明了利用帶有氯化碘的感光底片成功將曝光時(shí)間縮短到以秒計(jì)量。直至20 世紀(jì)初，感光效率更高且體積更小的相機(jī)逐漸問世，大大拓寬了相機(jī)的應(yīng)用場景。

洛韋爾天文臺(tái)

洛韋爾天文臺(tái)坐落于亞利桑那州旗桿鎮(zhèn)，始建于1894 年，是美國歷史最古老的天文臺(tái)。天文臺(tái)擁有多架望遠(yuǎn)鏡，其中口徑60 厘米的折射望遠(yuǎn)鏡至今仍作為公共教育場所開放，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡是由克拉克父子建造的。此外還有口徑4.3 米的發(fā)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡、口徑1.8 米的珀金斯望遠(yuǎn)鏡、口徑1.1 米的霍爾望遠(yuǎn)鏡等等。但是最著名的卻是一臺(tái)口徑只有33 厘米的小望遠(yuǎn)鏡，它的名字是洛韋爾攝星鏡（左圖），1930 年湯博利用這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片發(fā)現(xiàn)了冥王星。

太陽系疆域的拓展

自古以來，人類目視可見的行星只有水、金、火、木、土5 顆，加上同樣會(huì)在恒星間運(yùn)行的太陽和月亮，組成了一個(gè)星期有7 天的傳統(tǒng)，每天代表其中一個(gè)天體，例如周日是太陽日、周一是月球日、周六是土星日等等。在望遠(yuǎn)鏡發(fā)明以后，赫歇爾在1781年發(fā)現(xiàn)了天王星；皮亞齊于1801 年發(fā)現(xiàn)了谷神星；勒威耶和加勒于1846 年發(fā)現(xiàn)了海王星。發(fā)現(xiàn)海王星的望遠(yuǎn)鏡是位于柏林天文臺(tái)的弗勞恩霍夫望遠(yuǎn)鏡，是一臺(tái)口徑為24 厘米的折射望遠(yuǎn)鏡（右圖）。太陽系內(nèi)發(fā)現(xiàn)的天體越來越多，在19 世紀(jì)誕生了小行星這個(gè)名詞。而在進(jìn)入21 世紀(jì)以后，隨著冥王星附近更多柯伊伯帶天體的發(fā)現(xiàn)，矮行星的概念也由此誕生。

宇宙有多大

在古漢語中，“宇”“宙”二字分別指房屋的屋檐和棟梁（左圖）。“上下四方曰宇，往古來今曰宙。”這是戰(zhàn)國時(shí)期就有的記載，宇代表空間，宙代表時(shí)間。而在西方，宇宙的英文Universe 起源于拉丁語Universum，意為全部。以畢達(dá)哥拉斯為代表的古希臘哲學(xué)家認(rèn)為，宇宙就是一切的物質(zhì)與空間?，F(xiàn)代宇宙的定義是時(shí)間、空間及其所包含一切的統(tǒng)一體。20 世紀(jì)前夕，人類認(rèn)識(shí)的宇宙主要由哥白尼提出的日心說為主導(dǎo)，開普勒定律和牛頓萬有引力定律成為了日心說最強(qiáng)大的理論支持。但是隨著更多深空天體的發(fā)現(xiàn)，天文學(xué)家開始試圖測算這些遙遠(yuǎn)天體的距離。只有知道最遙遠(yuǎn)天體的距離才能測算宇宙有多大，但是天文上的距離卻是相當(dāng)?shù)碾y以測量。

天鵝座61

恒星距離我們都非常遙遠(yuǎn)，要測量一顆恒星的距離不可能利用尺子或者激光反射等地球上的常規(guī)手段。天文學(xué)家們很早就想出了利用地球公轉(zhuǎn)軌道，當(dāng)?shù)厍蚍謩e位于軌道兩側(cè)時(shí)進(jìn)行觀測，由于觀測角度不同，理論上目標(biāo)天體在夜空中的位置會(huì)出現(xiàn)微小的變化，這被稱為周年視差法。人類利用這種方法測量出的第一顆遙遠(yuǎn)恒星是天鵝座61，德國天文學(xué)家貝塞爾于1838 年測出天鵝座61 的視差為313.6 毫角秒，約10.4 光年，與現(xiàn)代測量值11.4 光年相差不多。不過對于更遙遠(yuǎn)天體的距離，周年視差方法也顯得力不從心。圖為1984 年德國發(fā)行的貝塞爾誕辰200 周年紀(jì)念郵票。

世紀(jì)大辯論

1920 年4 月26 日，在美國首都華盛頓的一次科學(xué)年會(huì)上，天文學(xué)家沙普利和柯蒂斯分別就宇宙尺度問題發(fā)表了各自的演講，后人習(xí)慣稱之為“大辯論”。實(shí)際上這并不能稱之為辯論，用沙普利的話說，這是“對同一個(gè)題目以不同的觀點(diǎn)所作的兩個(gè)報(bào)告”。兩個(gè)報(bào)告各自只有40 分鐘的演講時(shí)間，題目則是關(guān)于“漩渦星云的距離及銀河系的大小”。會(huì)后，兩人將重新整理的演講稿以共同作者的名義發(fā)表在1921 年的美國研究理事會(huì)通報(bào)上，名為“宇宙的尺度”。但是，科學(xué)真理僅靠“辯論”是不夠的，還需要更多的觀測實(shí)踐去證實(shí)。

胡克望遠(yuǎn)鏡

威爾遜山天文臺(tái)位于美國加州帕薩迪納附近的威爾遜山上，海拔1742 米，是1904 年在美國天文學(xué)家海爾的領(lǐng)導(dǎo)下建立的。1917 年，由鋼鐵大亨約翰·胡克和卡耐基研究所資助的100 英寸（約2.5 米）反射望遠(yuǎn)鏡終于投入使用，并被命名為胡克望遠(yuǎn)鏡。1919 年，美國物理學(xué)家邁克爾遜為這架望遠(yuǎn)鏡配備了一臺(tái)干涉儀，這是光學(xué)干涉儀首次在天文學(xué)上得到應(yīng)用。有了干涉儀，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡可以精確的測量某些恒星的大小和距離。直到1948 年以前，胡克望遠(yuǎn)鏡都是當(dāng)時(shí)世界上最大的天文望遠(yuǎn)鏡。

哈勃的定論

1921 年，瑞典天文學(xué)家倫德馬克根據(jù)M33 中的亮星測出它的距離至少在100 萬光年之外。1923 年，哈勃用威爾遜山的胡克望遠(yuǎn)鏡在M31 中發(fā)現(xiàn)了一顆造父變星，即使利用沙普利測定的造父變星周光關(guān)系也可以得出M31 距離在100萬光年之外，大大超過沙普利估計(jì)的銀河系直徑。1924 年12 月，在美國天文學(xué)年會(huì)上，美國天文學(xué)家羅素宣布了哈勃的這一發(fā)現(xiàn)。4 年前的“大辯論”終于有了答案，“旋渦星云”變成了“旋渦星系”，銀河系也不再是宇宙的全部。哈勃的這一發(fā)現(xiàn)為星系天文學(xué)及宇宙學(xué)的時(shí)代拉開了序幕。圖為哈勃用胡克望遠(yuǎn)鏡工作時(shí)的照片。

海爾望遠(yuǎn)鏡

海爾在威爾遜山天文臺(tái)建造的1.5 米和2.5 米望遠(yuǎn)鏡都非常成功，對星系天文學(xué)和宇宙學(xué)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。同時(shí)，天文學(xué)家們對于更大口徑望遠(yuǎn)鏡的渴望是從來不會(huì)停止的。1928 年，海爾從洛克菲勒基金會(huì)得到了600 萬美元資助，開始建造位于圣地亞哥的帕洛瑪山天文臺(tái)，其中最重要的儀器是一架口徑5.1 米的反射望遠(yuǎn)鏡。主鏡鏡片由康寧公司制作，從1936 年開始，在第二次世界大戰(zhàn)期間中斷，直到1948 年望遠(yuǎn)鏡才最終建造完成。1949 年1 月26 日，這臺(tái)當(dāng)時(shí)世界上最大的望遠(yuǎn)鏡在哈勃的指導(dǎo)下開始觀測，首個(gè)目標(biāo)是NGC 2261。為了紀(jì)念海爾做出的貢獻(xiàn)，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡后來被命名為海爾望遠(yuǎn)鏡。圖為正在組裝中的海爾望遠(yuǎn)鏡主鏡。

海爾望遠(yuǎn)鏡的發(fā)現(xiàn)

在落成之后的近半個(gè)世紀(jì)里，海爾望遠(yuǎn)鏡都是世界上性能最優(yōu)秀的天文望遠(yuǎn)鏡，它為恒星演化、宇宙學(xué)和高能天體物理方面做出了許多重大貢獻(xiàn)。1963 年，荷蘭天文學(xué)家施密特利用海爾望遠(yuǎn)鏡拍攝了射電源3C 273 的光譜，這個(gè)看似恒星的天體卻擁有著高達(dá)0.158 的紅移，這是人類首次證認(rèn)類星體的光譜，施密特也因此登上了1966 年3 月11 日《時(shí)代》周刊封面（左圖）。在哈雷彗星于1986 年回歸前，配備了CCD 相機(jī)的海爾望遠(yuǎn)鏡于1982 年已經(jīng)拍攝到了回歸前的哈雷彗星。1997 年，兩顆海王星的衛(wèi)星被海爾望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)。2010 年，美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)利用海爾望遠(yuǎn)鏡對系外行星HR 8799 進(jìn)行了成像觀測。

海爾望遠(yuǎn)鏡的主鏡重達(dá)14.5 噸，時(shí)至今日，它依然是全世界第二大的由單片玻璃作為主鏡的望遠(yuǎn)鏡，這是20世紀(jì)中葉人類工藝技術(shù)水平的一項(xiàng)重大成就。不過它也接近了單鏡片能夠在不同角度下保證其剛性的最大極限。如果再大一點(diǎn)，鏡片在本身的重力作用下帶來的形變會(huì)對鏡面的精度帶來極大的影響。若想制造更大的望遠(yuǎn)鏡，這將是未來要面對的首要問題。當(dāng)然，人類最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠?qū)W習(xí)進(jìn)步，從而創(chuàng)造出更新的技術(shù)來解決這些問題。