天文学观测工具——望远镜

　　摘要：天文学、哲学和数学是从人类文明真正诞生起流传至今的最古老的三门学科，可以
　　
　　说人类的文明就是从仰望星空开始。数千年来，对天文学的持续探索促进者我们的科技不断发展；反过来，一代代更新的科技产品又在提升我们探索无尽星空的能力。从光学折射望远镜到射电望远镜，从最早的宇宙岛之争都现在对脉冲星的研究，我们一步步走来，相信也会走的更远。
　　
　　关键字：观测、星空、望远镜
　　
　　仰望星空
　　
　　人类对天文学的探索，是永恒不变的追求，因而天文学也是贯穿人类文明始终的科学。从远古到至今指导人类生活的历法、在航海时代只因探险者辨明方向的罗盘、和星辰变化密切相关的宗教活动、近代物理学的发展与证明，乃至我们每天时刻关注的测时、守时、授时工作都是天文学直接或间接的产物，都与天文学息息相关，可以说没有天文学的不断进步就没有如今的人类文明。
　　
　　天文学对人类文明如此重要，那他又是如何发展的呢一切从仰望星空开始。
　　
　　何以望天
　　
　　因为天文学研究对象是大气层以外的天体和宇宙中的一切时间、空间变化，天文学的发展离不开天文观测，那么从古至今人类的观测手段有怎样的演变呢
　　
　　光学望远镜
　　
　　从远古开始到欧洲文艺复兴时期，人类主要的观测手段就是肉眼观察与记录，观测的天体范围也很小，只有一些彗星、恒星和太阳系内的行星。漫长的时间里我们只能不断靠一代代的传承积累来掌握形体运行出现的规律，可以说是一直在积累阶段。虽然人类也发明制造了浑天仪等一些天文研究仪器，但只是有助于人类对天体运行规律的推演，对天体观测并没有太直接的作用。从之后的文艺复兴开始，由于科技的不断发展，伽利略制造了人类第一台光学望远镜人类开始使用望远镜来观测。因为光学望远镜进光量大、可接受并储存光子信息而且可以依靠机械追踪来长时间持续观测，大大扩展了人类的观测范围。
　　
　　光学望远镜的主要任务有两个，一是收集光子，因此光学望远镜的尺寸越大、透光效率越强，单位时间内的进光量也就越大，观测效果也就越好；二是将光子成像，这受到镜面及整个光学系统的加工配置影响。测量星体光度最早用到照相底片，后来使用光电倍增管，之后在两者基础上结合了电荷耦合器件，最终成为成熟的观测手段。在测量恒星分光时，最早用到的是物端棱镜，之后采用了棱镜分光以，再后来则是用光栅摄谱仪，可见我们的观测手段是在不断提升的。
　　
　　光学望远镜分为折射、反射、折反射三种。折射望远镜最早产生，有视线方向与天体方向一致、寻找星体容易、视场较宽等优点，很受欢迎。但是由于不同波长的光对玻璃的折射率不同，在经过望远镜镜片后不能聚焦从而形成色差，会严重影响望远镜的光学质量。现在大型天文望远镜已经不用折射式，但业余的小型望远镜中折射望远镜依旧很受欢迎。
　　
　　反射望远镜的物镜是反射镜，最早是用金属打磨而成，后改为用玻璃磨成二次曲面后表面再镀以金属来做反光膜。反射望远镜的优点在于不存在色差，透过物镜的光线也不会被玻璃吸收，但由于轴外像差较大使得周围成像模糊，因此实际使用的反射望远镜都会将视场造的很小。不过由于光学元件加工量小，反射望远镜的造价远远低于折射望远镜，反射望远镜也因此大范围使用，现代大型天文望远镜都是反射望远镜。人类第一架反射望远镜是牛顿制造的。
　　
　　光学望远镜分为折射、反射、折反射三种。折射望远镜最早产生，有视线方向与天体方向一致、寻找星体容易、视场较宽等优点，很受欢迎。但是由于不同波长的光对玻璃的折射率不同，在经过望远镜镜片后不能聚焦从而形成色差，会严重影响望远镜的光学质量。现在大型天文望远镜已经不用折射式，但业余的小型望远镜中折射望远镜依旧很受欢迎。
　　
　　反射望远镜的物镜是反射镜，最早是用金属打磨而成，后改为用玻璃磨成二次曲面后表面再镀以金属来做反光膜。反射望远镜的优点在于不存在色差，透过物镜的光线也不会被玻璃吸收，但由于轴外像差较大使得周围成像模糊，因此实际使用的反射望远镜都会将视场造的很小。不过由于光学元件加工量小，反射望远镜的造价远远低于折射望远镜，反射望远镜也因此大范围使用，现代大型天文望远镜都是反射望远镜。人类第一架反射望远镜是牛顿制造的。
　　
　　1931年，德国光学架施密特发明了折反射望远镜，物镜与反射式相似，但是扩大了反射望远镜的视场而且没有色差，不过由于像差也被加大成像十分模糊。改进后的折反射望远镜在球面镜球心位置加了一片改正透镜，再把焦平面考虑诚球面，使得望远镜成像质量有了很大提升。
　　
　　由于天文学的不断发展，天文观测的要求不断提升，望远镜的口径不断增大，随之而来的是镜片的加工难度急剧增加。而且由于镜片巨大，也要考虑不同位置时重力弯沉的情况，这会使得光透过后偏折从而引起成像质量下降。这一系列原因在机械、材料、控制技术不能突破的情况下极大但制约了整块主镜面大型天文望远镜走到了尽头，替代它的是由薄镜镶拼技术制造的新式望远镜。
　　
　　新式望远镜虽然降低了主镜的加工难度，却也同样存在镜片的重力弯沉及周围温度影响，为了克服这些问题主动光学系统应运而生。主动光学系统是说望远镜会随着镜片位置变化运用控制技术主动使镜片发生一定形变来保证成像质量。对应的，整块主镜是靠着自身厚度和刚性来保持镜片不发生形变，因而被称为被动光学。主动光学系统有敏感元件、传感器、计算机和控制器构成，构成完整的信息反馈回路。主动光学系统不仅能处理由镜片形变带来的影响，也可以分辨大气湍流干扰，矫正波前阵面畸变。
　　
　　射电望远镜
　　
　　但即使光学望远镜经过一次次改良后性能已经得到很大提升，对于人类认识茫茫宇宙还是不够，因为人眼和光学望远镜还是只能观测可见光范围内的信号。我们研究天体运动，只有观测天体传来的电磁波一种手段，而天体向四周发出的电磁波是包括从波长大于十千米的超长波到波长小于千分之一纳米的伽马射线，可见光波仅是其中很小的一部分。还好，在人类天文观测不断进步的历程中，由于二战后无线电技术在天文领域的应用，人类发明了能够接受各个波段电磁波的射电望远镜，弥补了之前的不足。自此，天文学家的视野扩展到天体辐射的无线电波段，天文学研究进入全波段天文学的领域。
　　
　　射电望远镜由天线、接收机、数据处理装置和显示记录装置四部分构成。天线相当于光学望远镜的主镜，灵敏度和分辨率是衡量射电望远镜性能的标准。观测效果与其尺寸正相关，因此增大天线的有效面积十分重要。同时，提升天线的抗噪能力和信号检测能力也可以提升射电望远镜的灵敏度。由于射电望远镜观测到波段范围要比光学望远镜大得多，因此相同口径的射电望远镜分辨率要低得多，成像也更加困难。在观测中基本只能找出主瓣副瓣区域，大致指出天体所在方向。
　　
　　在上世纪五十年代天文学家研究出射电望远镜的综合孔径技术，并创造性地提出建立望远镜阵，不光扩大了望远镜的有效口径而且将望远镜视场扩大，此外了还可以应用无线电干涉原理综合阵中各个望远镜的观测结果获得观测天体的射电图形，大大提升了射电望远镜的分辨率，使之可以和相同口径的光学望远镜相媲美。
　　
　　随着计算机技术的不断进步，信息传递的速度急剧提升。结合数字系统，大量天文观测所得的数据得到迅速处理。从二十世纪八十年代开始，大量的射电望远镜阵建成，在美国、德国等国家都建成，美国国家射电天文台的射电望远镜阵就是其中典型代表。随着之后的无线电技术继续发展，相继产生建立了美国甚长基线阵、印度巨型米波射电望远镜阵、英国微波联线干涉网等大型射电望远镜阵。至此，射电天文发展可谓蔚为大观。
　　
　　从肉眼到望远镜，从光学到射电，从宇宙岛之争到如今发射哈勃望远镜，人类仰望星空的能力不断提升，这是千百年来无数天文学家呕心沥血的璀璨成果。虽然我们也曾有误解，也曾有迷茫，但正是有一代又一代天文研究者的不懈努力，我们一直在进步着。相信凭借着薪火相传的天文摊就精神，我们一定会在天文道路上的脚步也会越来越坚定、越来越远。
　　
　　我的仰望
　　
　　选学大学天文学是巧合，但在真正上完这门课时，我发现有些改变已经悄然发生。以前也会有仰望星空的时刻，大多数时候仅能看到几颗星星在城市晦暗的天空上默默悬挂，偶尔能看到漫天繁星，也仅是惊奇如此多的闪光点在天空中悬挂，对于这些星辰存在的价值与意义从未在意过。
　　
　　现在我明白，原来人类从弱小到如今一直在尝试着和浩瀚天宇交流，远古时希望得到庇护与指引，而现在我们在寻找着其他的智慧生物。头顶的这一片天，不仅仅是遥不可及的陌生存在，无数的天文学家耗尽毕生心血在探索这无尽宇宙，他们中的一些是专门从事天文学研究，而更多是逐渐折服于星辰的无限魅力而成为天文爱好者，在一步步成为天文研究者，也许一生收获甚少，就像无数年对着虚空自言自语得不到一丝回应；也许成为少数名扬天下的大科学家，但这一切都未可知，但仍有无数仁人志士踏上天文研究道路，在此，向每一位天文研究者致敬。
　　
　　如今在此抬头仰望，会想到千百年来无数天文学家前赴后继的身影，会浮现起世界各地一个个伟岸的望远镜阵，回想起一则则有关星辰的美丽神话，会想到无限宇宙中无数星辰的生灭演化。也许我永远都不会有机会亲自用天文望远镜看一看这美丽又辽阔的辽阔星空，但他的瑰丽神奇永远印刻在我心中。
　　
　　参考书目：
　　
　　《天文学新概论（第四版）》。苏宜编着。科学出版社　　
　　《基础天文学教程》。邵华木编着。安徽人民出版社