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夸克科学院:从观察月亮活动学习一点天文知识(上)

已有 744 次阅读 2019-4-28 20:03 |个人分类:科普教育|系统分类:科研笔记| 天文望远镜


一个多星期前,天气不错,我们把望远镜抬出来在夸克科学院的门口看月亮,在成都难得有这么好的天气,如果能看到星星的话,那简直是一种奢侈。

夸克科学院:从观察月亮活动学习一点天文知识(上)


平时小朋友们大多数是在网上看到月亮的图片,这次能够亲眼通过望远镜看到这么近,这么美的月亮,内心肯定是既兴奋又激动。

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正好那个时候,科学家们又首次公布了黑洞的照片,小朋友们都很好奇,问:我们的天文望远镜能看到黑洞吗?我们哈哈大笑,看不到的,我们的望远镜只能看可见光范围内的物体。

围观的家长们也希望我们能讲一讲,关于望远镜和黑洞方面的知识。看完月亮后,我在想要以怎样的方式来给小朋友们讨论这个略显深奥的话题呢?于是就有了这篇文章。

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先简单交代一下我的背景:我研究生和博士阶段的时候是研究大口径望远镜镜面的加工和检测的,自己曾经设计并加工了一个口径两百三的望远镜来玩,加工太难了,我用了断断续续用了半年时间才把镜面磨好,并镀上膜,最后设计工装装上。主要是镜片制作成本太贵了,光原材料就好几千块钱一公斤。

今天的文章是希望让外行人简单的了解一下天文望远镜的原理和发展,所以写得简单易懂。

望远镜的有哪几种类型,原理是什么

天文望远镜是观测天体的重要手段,可以说没有望远镜的诞生和发展,就没有现代天文学。随着望远镜在各方面性能的改进和提高,天文学也正经历着巨大的飞跃,迅速推进着人类对宇宙的认识。

根据光路的不同,光学望远镜分为折射望远镜,反射望远镜和折反射望远镜,下面分别介绍一下。

1、折射望远镜

我们通常见到的望远镜就是折射望远镜,上高中时学过折射望远镜的原理,只不过上面说的比较简单,用两块透镜根据它们的焦距位置组合起来就成了一副望远镜。

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其实真正的折射望远镜这样简单的组合起来,是不能非常清楚地看到远处的物体的,我们必须要考虑光在透镜中传播产生的色差问题,这是透镜成像的一个严重缺陷。

那么什么是色差呢,我们知道光由红,橙,黄,绿,青,蓝,紫七种颜色的光组成的,不同颜色的光波长不同,通过透镜时的折射率也不同,光的传播方向就不一样,我们小的时候学过的三棱镜的折射就可以清楚的说明这个问题。

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因此为了解决透镜成像时的色差问题,通常要在物镜的后面加一块完全吻合的消色差物镜。目前市面上很多折射望远镜在消色差这一块处理得不是很好,看远处物体的时候,会看到物体有一圈彩色的光晕,这就是光的色差产生的。

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大多数人认为第一台天文望远镜是1609年伽利略发明的,他用平凸透镜作为物镜,凹透镜作为目镜,这种光学系统称为伽利略望远镜,并用这架望远镜指向天空,得到一系列重要的发现。

其实比他早一年,荷兰的眼睛商人李波尔塞偶然发现用两块镜片可以看清楚远处的景物,受此启发,他制造了人类历史上第一架望远镜,只不过他没有把他的这项发明用来观察天空,没有得到任何发现,人们对他不熟悉罢了。

当今世界上最大的折射望远镜是1897年建成的口径102厘米的叶凯士望远镜。当时望远镜建造完成的时候爱因斯坦也跑去参观了。

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由于大口径折射望远镜的透镜加工难度大,并且对透镜的一致性均匀性要求很高,很难浇筑这么大的透镜,并且由于重力使大尺寸透镜变形非常明显,无法很好的成像,因此至叶凯士望远镜建成后,折射望远镜的发展达到了顶点,此后再也没有更大的折射望远镜出现。

2、反射式望远镜

第一架反射式望远镜是牛顿发明的,1668年,牛顿经过多次磨制非球面的透镜均告失败后,决定采用球面反射镜作为主镜。光从反射镜射出来后,他做了一个天才的发明,在反射镜的焦点附近,安装了一个与主镜成45°角的反射镜,并在镜筒上开了一个孔,使经主镜反射后的会聚光经反射镜以90°角反射出镜筒后到达目镜。

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这个发明看上去非常简单,但其意义非常重大,从此拉开了后续制作大口径望远镜的序幕,专业望远镜基本都是牛顿式望远镜,现代大型望远系统也是反射式的。

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用反射镜面做物镜的优点是,反射镜面只需要完美加工一个面,加工和操作的难度小,没有色差,不需要制作大型的消色差透镜,同时也不存在重力的影响变形,因此大型望远镜都是用反射镜做物镜的。

3、折反射式望远镜

1931年,德国光学家施密特用一块别具一格的接近于平行板的非球面薄透镜作为改正镜,与球面反射镜配合,制成了可以消除球差和轴外象差的施密特式折反射望远镜,这种望远镜光力强、视场大、象差小,适合于拍摄大面积的天区照片,尤其是对暗弱星云的拍照效果非常突出。施密特望远镜已经成了天文观测的重要工具。

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由于折反射式望远镜能兼顾折射和反射两种望远镜的优点,非常适合业余的天文观测和天文摄影,并且得到了广大天文爱好者的喜爱。

以上是目前主要的三种主要望远镜,但我们通常见到的是前面两种望远镜。第三种望远镜则是一些专业的爱好者玩的。下面我就要给大家介绍一下目前一些著名的大型天文望远镜,看看这壮观的天文望远镜是什么样子的。

大型天文望远镜的发展,及著名天文望远镜

我们知道望远镜口径越大,集光能力就越强,望远镜的集光能力越强,就能够看到更暗更远的天体,也就能够观察到更早期的宇宙。因此天体物理的发展需要更大口径的望远镜。但是,随着望远镜口径的增大,一系列的技术问题接踵而来。

海尔望远镜的镜头自重达14.5吨,可动部分的重量为530吨,而6米镜更是重达800吨。望远镜的自重引起的镜面变形相当大,温度的不均匀使镜面产生畸变也影响了成象质量。

从制造方面看,传统方法制造望远镜的费用几乎与口径的平方或立方成正比,所以制造更大口径的望远镜必须另辟新径。

自七十年代以来,在望远镜的制造方面发展了许多新技术,涉及光学、力学、计算机、自动控制和精密机械等领域,为了减轻主镜的重量和温度不均匀问题,发明了蜂窝式的支撑结构和主动支撑技术,使得更大型的望远镜得以出现。

下面我们就来欣赏一下这些壮观的大型天文望远镜吧

昂星团望远镜(Subaru Telescope)

日本的昂星团望远镜是单块主镜制造的,口径8.2米,以著名的疏散星团——昴星团命名。于1991年4月开始建造,八年后建成,总耗资达到3.7亿美元。

昴星团望远镜位于夏威夷莫纳克亚山的山顶上,紧邻凯克望远镜,海拔高度为4139米。昴星团望远镜的主镜直径为8.2米,焦距15米,建成时是世界最大的单镜面望远镜。

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哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope)

从八十年代开始,国际上掀起了制造新一代大型望远镜的热潮。望远镜的制造也从地基望远镜向空间望远镜发展。哈勃望远镜是世界上第一台大型空间望远镜,历史上对哈勃望远镜进行过五次维护,最主要的是第一次修复,在望远镜升空不久后,研究人员发现从哈勃空间望远镜传回来的图片有严重的问题,获得的的最佳图像品质也远低于当初的期望。

于是1993年,派宇航员对其进行了第一次修复,修复后的效果好了很多。在哈勃望远镜运行的15年时间里,获得大量重要成果,平均每个月会产生889G的观测数据,通过对这些数据的分析,科学家观测到宇宙膨胀的精确数据,从而推算出宇宙年龄为138亿年,发现了最古老的星系,记录了恒星形成和死亡的过程,并且证实了黑洞的存在。

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詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)

目前由美国宇航局牵头,与欧洲航天局和加拿大航天局合作的詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST),计划用它取代哈勃望远镜,用以探索远超过目前仪器可观测到的宇宙中最远的对象。

其曾用名为NGST,在2002年更名,用以纪念NASA的首任局长James Webb,其设计口径为6米,是哈勃望远镜的2.5倍,由于经济原因,延后到2020年后升空。

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凯克望远镜(Keck I,Keck II)

主动光学支撑技术的出现和应用,使望远镜的设计思想有了一个飞跃。望远镜也由单块主镜发展到多块镜面拼接组成,从而使更大望远镜的制造成为可能。凯克望远镜可以说是现代望远镜制造史上的又一个里程碑。

Keck I 和Keck II分别在1991年和1996年建成,这是当前世界上已投入工作的最大口径的光学望远镜,因其经费主要由企业家凯克(Keck W M)捐赠(Keck I 为9400万美元,Keck II为7460万美元)而命名。这两台完全相同的望远镜都放置在夏威夷的莫纳克亚,将它们放在一起是为了做干涉观测。每台望远镜有8层楼高,重300吨。它们的口径都是10米,由36块六角镜面拼接组成,每块镜面口径均为1.8米。

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正在建设的超大型光学望远镜

从全球大口径望远镜的发展看,大口径,高陡度,轻量化,高精度已经成为望远镜发展的主要趋势。目前正在建设中的有如下三个有代表性的超大型望远镜。

巨型麦哲伦望远镜(Giant Magellan Telescope,GMT)

GMT由7块直径8.4米的镜片组成,相当于等效口径21.4米的主镜。本计划于2016年建成,但是由于经济危机的影响延后完成。

参与研制的机构有华盛顿卡内基研究所天文台、哈佛大学、麻省理工学院、史密松森天文台、德州农工大学、亚利桑那大学、密歇根大学、德克萨斯大学奥斯汀分校、澳大利亚国立大学。镜面加工由美国亚利桑那大学斯蒂瓦实验室负责,于2005年完成铸造。

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30米望远镜(Thirty Meter Telescope,TMT)

30米望远镜顾名思义其直径达30米的望远镜,由492块口径为1.44米的六角子镜拼接组成。建成后,最远可以看到离地球130亿光年的地方,这意味着人们透过它可以看到宇宙间第一批形成的星体和星系。

这架光学望远镜于2014年开始在夏威夷莫纳克亚火山顶修建,加拿大、日本、中国 、印度的国立天文机构加入了该项目,预计2020年建成。

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欧洲极大望远镜(European Extremely Large Telescope,E-ELT)

E-ELT主镜由798块口径为1.4米的子镜拼接而成,预计总口径将达40米,建造完成后将成为世界上最大的光学望远镜。

望远镜选址智利阿马索内斯山,由欧洲南方天文台(ESO)十四个成员国和巴西等国共同承建,预计耗资11亿欧元(以2012年价格计算),2023年建成投入使用。建成后,清晰度将比哈勃太空望远镜高16倍。该望远镜对于人类了解暗物质和暗能量,了解宇宙,具有重大的意义。

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我国天文望远镜的发展现状

我们国家在大型光学天文望远镜制造方面与国外有着非常巨大的差距,起码落后几十年,目前我国自主研发的最大单块主镜天文望远镜是北京天文台的2.16米的望远镜。

我上博士的时候,我们研究所正在研制的4米望远镜,当时已经完成镜抷的铸造,我的工作就是为后续的检测进行前沿性研究,大型望远镜主要的难点在望远镜主镜的加工和检测环节。

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但是我相信随着我们国家综合国力的上升,科研实力的不断增强,我们国家在大型天文望远镜的制造上面,一定会追上这个差距的。

这个时候或许很多人要问了,我们国家不是在贵州制造了口径500米的FAST望远镜吗,难道在国际上没有地位吗。

这个很多人就不懂了,对于观察某些特定波长的望远镜,比如射电望远镜,口径可以制造得相当大,波长比较长,对镜面的面形要求不是特别高,可以用铝片制造,而光学望远镜镜面是用低膨胀系数的玻璃抛光而成的,对面型要求极高。

美国在波多黎哥阿雷西建造了直径达305米的抛物面射电望远镜。德国在波恩附近建造了直径100米的全向转动抛物面射电望远镜,我国则在贵州制造了口径500米的FAST望远镜。

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大天区多目标光纤光谱望远镜(LAMOST)

我国稍微说得上成就的可能就算lamost望远镜吧,由于它的大视场,在焦面上可以放置四千根光纤,将遥远天体的光分别传输到多台光谱仪中,同时获得它们的光谱,成为世界上光谱获取率最高的望远镜。我之前一直不明白它的光路原理,现在总算找到一张图片了,放在下边。

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好了,今天的讲述就到这里了。不知道这样的讲述你能听懂吗?欢迎留言告诉我。

最后,换个的身份,给孩子用简单的语言讲一遍。对于八岁以上的孩子,是可以给他们按照前面的逻辑顺序慢慢讲一遍的。其中重要的是:

这样的逻辑顺序就是科学探知的思路,它就是人类运用批判性思维研究科学的常规路径。在我看来,它比知识本身更重要。

对于学龄前儿童,可能没有这样批判性思维的能力,那我们可以用最简单的方式,满足他们的好奇心即可。

最后提几个问题,我们下期来解答。

1、我们国家制造了口径500米的望远镜,为什么没有参与观察黑洞?

2、黑洞是什么?

3、黑洞为什么看不见?

4、看不见的黑洞怎么照相?




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1 孙冰

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