探索天文望远镜：从目视望远镜到射电望远镜的奥秘

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时光荏苒，深空如此之近，人类的探索从未停止

我国FAST射电望远镜镜面

宁静的夜晚，繁星点缀着天空。但我们很难用肉眼看清它们的真实面貌。天文望远镜就这样诞生了。 1609年，伽利略·伽利雷率先用自己研制的望远镜观测天体，开创了望远镜天文学的新时代。这种需要利用人眼进行目视观察的望远镜称为目视望远镜，它与太空中的哈勃望远镜和我国的FAST射电望远镜有本质的区别。我们先来说说目视天文望远镜中的两种望远镜，折射望远镜和反射望远镜的光学系统。

天文望远镜光学性能的基本物理量。光圈：光圈是指物镜的有效直径，即物镜未被镜框遮挡的部分的直径。相对孔径：物镜的孔径与其焦距的比值。放大倍数：等于物镜焦距与目镜焦距之比。视场：望远镜可以很好地成像的天空区域的角直径。分辨角：指天体上两点之间望远镜所能分辨的角距离。穿透能力：在晴朗的夜晚通过望远镜可见的最微弱恒星的星等。

现代天文望远镜

在上述基本物理量中，放大倍数并不是最重要的。目视望远镜最重要的参数是物镜的直径。物镜的直径越大，收集到的天体光线就越多，从而可以看到更多暗淡的恒星。其次，物镜直径越大，其分辨角越小，分辨近距离双星的能力越强，可以看到月球、行星、星团等可见天体的细节清楚地。有关资料显示，中小型目视望远镜的有效最大放大倍数往往在物镜毫米数的3倍左右。将放大倍率增加到高于该值并没有任何好处。因此，如果有读者想购买天文望远镜，一定要注意，为了迎合人们对高倍率的追求，一些小型目视望远镜的制造商往往会配备焦距特别短的目镜，从而获得很高的放大倍数。放大。他们在向消费者营销时，总是会宣传自己的产品可以放大多少倍，以吸引消费者购买。但实际上，这种焦距特别短的目镜只是一个装饰品，根本不用于天文观测。

折射望远镜光学系统

图1 两种不同类型的折射望远镜光学系统示意图

对于折射望远镜来说，最有影响力的人是伽利略·伽利雷。没错，他就是那个敢于挑战权威，追求真理，走上比试斜塔，拿着铁球自由落体的老人。他不仅在物理学方面有杰出的成就，而且还是一位天文学爱好者和研究者。他是第一个发现我们所知的土星环的人。为了更好地观察星空，他研制了很多望远镜，但基本上都是折射望远镜。

在他的众多望远镜中，最出色的是采用凸透镜的物镜，物镜直径约为4厘米。这台望远镜利用了光的折射原理。当星光被物镜折射时，在会聚到物镜焦点之前被凹透镜制成的目镜发散，成为平行光并从目镜射出。这种类型的望远镜称为伽利略折射望远镜。

不久之后，开普勒以理论形式提出了折射望远镜的新光学系统：星光撞击由凸透镜组成的物镜后，聚焦在A点焦平面上（图1中的开普勒公式），A点为位于由凸透镜组成的目镜的焦平面上。当聚集在那里的星光向前传播时，被目镜发散，变成平行光并发射出去。这种望远镜称为开普勒折射望远镜。由于开普勒望远镜可以在物镜和目镜的公共焦平面A处安装“十字”坐标网格进行测量，极大地方便了使用和观测。因此，后来用于目视观测的折射望远镜都是开普勒式的。

早期的折射望远镜采用单凸透镜作为物镜，因此会存在严重的色差。也就是说，由不同颜色（不同波长）的星光混合而成的图像会呈现为彩色斑点，并且图像清晰度会很低。当时唯一的解决办法就是尽可能减小物镜表面的曲率，这样可以有效减少色差。这样做的缺点也很明显。由于物镜的曲率减小，它的焦距和镜筒的尺寸必须很长，这意味着使用起来极其不方便的长望远镜在17世纪到上半年流行起来。 18世纪的。直到18世纪中叶，人们才用冕玻璃作为凸透镜，燧石玻璃作为凹透镜，组成既可以聚光又可以消除色差的复合透镜，并用它作为物镜。这结束了长筒折射望远镜的时代。成像质量也大大提高。

一般来说，无论是长镜筒的望远镜，还是后来改进的冠玻璃凸透镜和火石玻璃凹透镜的望远镜，虽然它们的结构不同，但它们本身的原理是相同的。他们都使用光。根据折射原理工作。

反射望远镜光学系统

图2 两种不同类型反射望远镜的光学系统示意图

反射望远镜最早由牛顿于1668年研制成功，其光学系统称为牛顿反射望远镜。 1672年，法国科学家卡塞格伦提出了反射望远镜的另一种设计。根据这个计划制作的望远镜被称为卡塞格伦反射望远镜。这两台反射望远镜的物镜由主镜和副镜组成。牛顿反射望远镜的主镜是抛物面反射镜，次镜是平面反射镜，安装在主镜焦点前面，与光轴成45度角。主镜聚焦的星光经副镜反射到镜筒一侧的开口（图2牛顿） 卡塞格林反射望远镜的主镜也是一个抛物面反射镜，中间挖了一个圆孔。次镜是放置在主镜焦点前面的凸面双面镜。它再次反射主镜聚焦的星光，使星光穿过主镜中间的圆孔，聚焦在主镜后面的焦点上（见图2卡塞格伦式）。

当然，除了上述两个系统外，反射望远镜还有其他光学系统。一些大型反射望远镜一般由多个光学系统组成，以便可以根据不同的需要进行切换。随着科学技术的发展，人们不再仅仅依靠目视望远镜来探索宇宙。各种光谱分析、射电望远镜等方法的结合，已成为当今世界探索宇宙的主流方法。