望远镜和天文学_400年的回顾与展望_苏定强

http : P P www. wul.i ac . cn 物理# 37卷 ( 2008年 )12期望远镜和天文学: 400年的回顾与展望*苏定强1 , 2 , ­( 1 南京大学天文学系 南京 210093)( 2 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所 南京 210042)摘 要 联合国已宣布 2009年为国际天文年, 以纪念伽利略开始用望远镜观测天体 400周年. 作者将 400年望远镜和相关技术的发展分为四个里程碑, 讲述了它们的出现和随后的发展; 介绍了中国已完成的和正在研制中的望远镜, 作者支持未来 10年中国再上三个大项目; 作者紧密联系天文学和物理学上的重大学说总结了 400年天文学的主要成就;作者赞同未来研究的重点应是暗物质和暗能量, 尤其是暗能量的研究.关键词 天文学, 望远镜, 国际天文年, 天文学史, 中国天文学, 天文学的成就, 暗物质, 暗能量Telescopes and astrono my : A 400 -year retrospect and future prospectsSU Ding-Q iang1 , 2 , ­(1 Depart ment of Astronomy, N anjing University, N anjing 210093 , China)(2 TheNanjing Institute of AstronomicalOptics and Technology, NationalAstronomicalObservatories , ChineseAcademy of Sciences , Nanjing 210042 , China)Abstract The year 2009 has been declared the InternationalYear ofAstrono my by theUnited Nations ,tomarkthe 400th anniversary of the first observation of celestial bodies bymeans of a telescope , conducted by GalileoGal- ile. i In this paper the author identifies fourmilestones in the development of telescopes and relevant technologies dur -ing the past 400 years ,then discusses each milestone and its subsequent developments . The paper proceeds to de -scribe the telescopes that have been completed in China as well as those that are being developed. The author sup-ports the development of three new telescope projects in China in the next decade . The author offers a summary ofthe achieve ments in astronomy over the past 400 years in ter ms of their close relationsh ip to funda mental theories ofastronomy and physics . For the future , the author believes that darkmatterand dark energy , especially dark energy ,should be themost m i portant field of research.Keywords astronomy ,telescope ,InternationalYear ofAstrono my , h istory of astronomy , Chinese astrono my , a -chieve ments in astrono my, dark matter , dark energy* 本文曾于 2008年 6月 26日在中国科学院第 14次院士大会数学物理学部学术年会大会、 2008年 8月 29日在中国天文学会学术年会大会和一些其他单位报告过2008- 10- 06收到­ Emai: l dqsu nju. edu. cn联合国已宣布 2009年为国际天文年, 以纪念伽利略开始用望远镜观测天体 400周年, 本文专门为此而写.1 四个里程碑及它们随后的发展: 开始用望远镜观测天体, 分光术的发明, 射电天文学的诞生,全波段天文学时代的到来1 . 1 开始用望远镜观测天体和光学望远镜的发展 1望远镜的发明有几种不同的说法, 一般讲, 1608年荷兰眼镜商 (匠 )汉斯 # 利普赫 (H ans Lipperhey)(此处的人名和译名按 2008年 10月 15日起在北京天文馆由意大利佛罗伦萨科学史博物馆 ( I MSS)策划主办的5伽利略望远镜) ) 改变世界的工具 6展览上的材料 )发明了望远镜. 1609年, 消息传到伽利略那里, 他很快就研制出望远镜, 并用它开始了对天体的 观测. 到 1609年底或 1610年 1月初, 伽利略先后制造过 4架望远镜, 都是折射望远镜, 物镜是正透镜, 目镜是负透镜, 成正像, 视场小, 最后一架物镜有效口径为#836#纪念望远镜发明 400周年物理# 37卷 ( 2008年 ) 12期 http: P P www. wul. i ac . cn3 . 8c m, 焦距 169c m, 30倍. 从 1609到 1611年间, 伽利略用这些望远镜先后发现月面是粗糙的, 有山和谷,木星有 4颗卫星, 银河中有许多星星, 金星有盈亏和 太阳有黑子, 从而开创了天文学研究的新时代.人眼瞳孔最大时直径只有 8mm, 分辨角约 1角分, 只要望远镜的放大率足够, 使出射光瞳的直径小于 8mm, 望远镜物镜收集的光就能全部进入眼睛, 就 能看到暗弱得多的天体, 望远镜的另一个作用是放大天体的视角, 看清天体的细节. 望远镜的放大率等于物镜焦距除目镜焦距, 只要用焦距短的目镜就可得到 高的放大率, 但望远镜的分辨率不仅取决于放大率,更重要的是它受限于: ( 1)光学系统的像差;( 2) 面形误差 (要获得接近理想的衍射像, 波像差的均方误差应小于 K/14 , K是波长 ); ( 3)大气视宁度; ( 4)衍射 极限 (可以突破, 但有限制, 这里不讨论), 衍射造成的分辨角 ; = 1 . 22K/D (按习惯, 本文中又常用另一个名词 ) 分辨率, 它是和分辨角成反比的一个量 ), D 是望远镜的口径, 所以增大口径有双重意义: 既收集更多的光, 又提高分辨率 (衍射是主要限制时 ), 望远镜的发展史, 就是沿着将望远镜的口径越做越大这条主线. 在 1609年后, 牛顿制成反射望远镜前, 先后有人提出过两种很好的反射望远镜光学系统, 对其中后一种还进行了制造, 但镜面加工得质量太差, 没有成功.1668年, 牛顿制成了第一架反射望远镜, 物镜口径 2 . 5c m, 焦距 16cm,31倍. 从此, 折射望远镜和反射望远镜就平行发展.400年的发展中望远镜的口径越做越大, 设计和 加工的质量越来越好, 并且选择大气视宁度好的地方来建立天文台, 安置望远镜. 除伽利略、 牛顿外, 许多著名科学家参与了望远镜的研究和制造, 如: 开普勒、笛卡尔、 惠更斯、 赫歇尔( F. W. Herschel)、 高斯、 夫琅 和费、 史瓦西 (K. Schwarzschild)等.赫歇尔制造过数百架反射望远镜, 最大的一架口径 1 . 22 m, 焦距 12 . 2 m. 他发现了天王星. 他用视星 等定距离, 计算不同方向、 不同距离 (视星等 )处恒星的密度, 得出银河系是一个扁平的盘状系统的结论.1897年, 在美国叶凯士天文台安装了当时最大的折射望远镜, 口径 1 . 02m. 由于炼不出高质量大口 径的光学玻璃, 和玻璃在紫外、 红外波段的吸光, 它至今仍是世界最大的折射望远镜. 更大的望远镜都是反射望远镜 (还有一类折反射望远镜, 由透镜和反射 镜组成, 因透镜较薄, 最大的口径为 1 . 34m).1918年, 在美国威尔逊山天文台安装了当时最大的 2 . 54m望远镜. 1924年, 哈勃 ( E.P. Hubble)用它证明了旋涡星云是银河系之外的、 和银河系类似的星系. 1929年, 哈勃又用这架望远镜发现了河外星系 谱线红移大致同距离成正比的规律 (哈勃定律 ).1948年, 美国建成了 5 . 08m望远镜. 1976年, 苏联建成了 6m望远镜. 望远镜的口径到了 5) 6m 似乎很难再做大了. 因为望远镜要对准不同方向的天体, 还要对天体作跟踪观测, 由于重力变化, 镜面不能保持应有的精确形状, 此外, 镜面暴露在不能恒温的观测室中, 还有温度变化引起的镜面变形, 口径大, 这两 类变形就更严重. 到上世纪 80年代, 由于技术进步,一种称为/主动光学 0 2的技术诞生了. 主动光学具体分为两种: 一是薄镜面主动光学, 它采用整块薄的反射物镜, 工作时实时检测镜面的形状, 实时对它作 校正 (镜子背后有很多力促动器, 用来对它加力 ), 使镜面保持精确的形状; 二是拼接镜面主动光学, 其反射物镜由许多小的子镜组成, 每块子镜不变形 (子镜 小容易做到 ), 工作时实时检测和调整各子镜的倾斜和上下, 使它们保持在同一个面上 (共面 ). 主动光学的成功, 使制造比 5) 6m更大的望远镜可行了, 并将大大降低造价. 地面上即使大气视宁度好的地方大望 远镜也不能获得衍射极限的像, 采用和主动光学相似的原理, 实时检测被大气扰动变形的波前, 实时对它作校正, 就可克服大气扰动的影响. 大气扰动变形的波前变化得非常快, 对可见光波段, 校正的时间频率 需高达几百赫兹, 物镜处的空间起伏也达到 10c m 左右, 用物镜作变形是困难的, 大气扰动的等晕区 (扰动性质相似的角范围 )很小, 校正后的可用视场是很小 的, 于是就采用了在经过物镜后光束变得较细处, 放置较小的变形镜来作校正, 这种技术称为/自适应光学0 3. 目前, 对大望远镜, 可见光波段仍有困难, 但对红外波段, 大气扰动变形的波前变化的时间和空间频 率都显著降低, 包括 1) 2L m 的波段已经成功. 由于早期宇宙是当前研究的前沿, 天体是高红移的, 自适应光学仅用在红外波段也是有价值的. 还有一种提高 分辨率的办法就是把分开一定距离的数架望远镜的光引到一起, 记录下干涉的结果, 经过处理可以得到各望远镜最大距离对应的分辨率, 这种技术在上世纪50年代即已用到射电望远镜中. 由于这些技术的成 功, 一批新的、 运用这些技术的大望远镜诞生了.1993年以来, 建成了 13架 8) 10m 的大望远镜,如: Keck天文台的 2架 10m望远镜, 主镜由 36块六 角形子镜拼成, 两望远镜相距 85m, 可单独工作, 也可和另外 4架 1 . 8m的望远镜共同组成一个干涉阵. 欧#837#纪念望远镜发明 400周年http : P P www. wul.i ac . cn 物理# 37卷 ( 2008年 )12期洲南方天文台的 VLT, 它是 4架 8 . 2 m 的望远镜, 主镜是整块的薄镜面, 可单独工作, 也可和另外 3架 1 . 8m