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第四期:天文望远镜分类说之光学望远镜 精选

已有 3107 次阅读 2020-11-6 14:44 |个人分类:泰利斯科普|系统分类:科普集锦

欢迎来到泰利斯科普第四期!

前几期内容推送之后,收到了一些朋友和老师的鼓励和支持,有的老师还发来了部分参考资料,在此对表示衷心的感谢。鉴于入行时间太短,内容显得多多少少有些乱,有的结尾也略显仓促,后期会慎重对待。

入天文仪器行业不久,查阅资料时发现还没有一个平台专门对天文望远镜进行介绍,索性就自己做一个好了。这是写作的开始,其实也是自己学习的过程。至于为什么选用“泰利斯科普”这个名字,其实是一个巧合,利用了望远镜英文“Telescope”的谐音,加之泰利斯又是古希腊七贤之一,被誉为“科学与哲学之祖”。当初创建“泰利斯科普”的愿景就是用诙谐幽默甚至调侃的语言做最通俗易懂的天文望远镜科普文,尽管这一点我也在努力。

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废话结束,回归正题!

这一期我们来单独聊聊光学天文望远镜,其实任何一台望远镜都是一个集光机电于一体的复杂精密系统。差之毫厘,谬以千里这句话用在天文望远镜上再合适不过了。

通俗来讲,天体离我们越远,它发出的光就越暗,就越不容易被我们观测到,所以我们想要找到更远的天体,就必须提高聚光能力,而望远镜的作用就是增加聚光、提高分辨力。故望远镜有天文学家的“千里眼,顺风耳”之称。

光学望远镜的聚光能力跟它的口径大小有直接的关系,口径越大,聚光能力越强,也就意味能看到更暗更远的天体。所以,自望远镜诞生以来,其通光口径也越做越大。

以下为不完全统计的目前世界主流光学望远镜同比例对比图。

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置身于其中的你会感受到人在大科学装置前的渺小,仿佛眼前的并不是望远镜,而是整个宇宙。

对比图中有人会问,为什么我们国家的FAST射电望远镜口径都做到500米了,而光学望远镜口径却与之相差甚远,目前国际最大的欧洲南方天文台极大望远镜(EELT)口径也才42米,况且还不知道何年何月能完工。国内目前甚至连一台10米级的光学望远镜都没有,莫非是光学望远镜发展缓慢不成?

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事实远非如此,由于望远镜的精度和反射光波波长有直接的关系,目前光学望远镜镜面面型精度要求至少在三十分之一波长。镜面要平整到什么概念呢?举个例子,如果将一块4米口径的镜面放大至北京市大小,其地面平整度需要小于1毫米才能满足要求。

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第三期中我们提到光学望远镜观测波段主要在可见光范围,即波长在380nm-750nm(纳米)之间;而射电望远镜观测波段在毫米级~米级的范围内,甚至更长。由此可知,光学望远镜镜面的精度要远比射电望远镜镜面高很多,这就意味着加工难度完全不在一个量级上。单从这方面来说,光学望远镜要想实现大口径就要比射电望远镜困难的多。总结来说就是光学望远镜镜面加工制作更困难,热胀冷缩、重力等因素都会导致镜面变形,而镜面越大保持精度也越困难。

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上图中的块状颜色代表望远镜的主镜,是不是发现很多望远镜不止一块镜子。这就是我们在第三期望远镜分类说中介绍过的反射式望远镜具有的优点之一:可进行拼接实现更大的口径。

这会儿有人又问了,既然口径越大越好,为什么不直接做成一整块,拼接起来多麻烦,还容易造成拼接缝隙。

这就要先来说一下光学望远镜镜面的材料了,那就是玻璃。同样是玻璃,光学玻璃除了要有极高的纯度外,还有大量重金属氧化物和稀土元素,熔炼过程也是严格的一米。熔炼结束,为了保证介质均匀无气泡,还要经过进一步锻造,在高温下反复揉压。至此才形成了镜片毛坯,离装在望远镜上还有很长的路要走。接下来要经过多次打磨、抛光、检测、镀膜等等一整套流程,可谓是上过刀山下过火海,历经九九八十一难,留下来的才能成为真正能装在望远镜上的镜片。不知道你们怎么想,反正我第一想到的是这磨的不是镜子,是白花花的银子。光学望远镜的成本就是这样上来的。

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所以单面镜子做不了太大的原因主要是工艺和成本,当然还有重力造成的镜面变形、主动光学技术的开率以及安装等等一系列问题。

所以目前国内外大口径光学望远镜最常用的就是拼接镜面技术。

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目前单口径最大镜面的是中科院长春光机所历时八年耗资近亿研制出的4米级碳化硅反射镜,这也是世界上最大口径碳化硅单体反射镜。中科院南京天光所的大口径镜面技术也是国内一流,目前单口径可达2.5米。

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很多人觉得你们做天文望远镜的工作平式应该很有趣,可以随时看看星星,找找外星人。你们认为我们用望远镜直接看到的是这样的↓↓↓↓↓

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这样的

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而实际我们看到的是这样的↓↓↓↓↓

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这样的

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你要是认为天文用望远镜就两个转轴加几片镜子这么简单,你就太天真了。天文学家观测用的望远镜的光路经过一系列镜面被反射、折射、校正、滤光等,然后经过CCD相机、光谱仪等终端仪器,最后经天文学家之手处理、分析、渲染就成了你以为中的星空的样子。

以上就是本期的全部内容,下期再见。感谢关注泰利斯科普,鉴于作者水平有限,如有错误,欢迎批评指正!

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参考文献:

[1] http://www.ciomp.ac.cn/

[2] 杰德・伊登・唐纳德松, 约瑟夫・诺兰・帕朗托. 光学望远镜:.

[3] 马品仲. 大型光学天文望远镜综述[J]. 自然杂志, 1993, 000(011):2-5.

[4] 张闯. 从显微镜到望远镜:我国大型科学设施巡礼(四)[J]. 科学, 2014.

[5] 王思秀, 裴鑫. 探索苍穹的巨眼——射电天文望远镜[J]. 动动画世界:教育技术研究, 2011, 000(008):76-76.

[6] http://www.niaot.ac.cn/

[7] https://www.jiemian.com/article/2598271.html

[8] http://www.lamost.org/public/?locale=zh


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