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体摄影离不开望远镜。自1609年伽利略成功制造出自己的天文望远镜以来，近400年来望远镜已从小型手动控制仪器发展到由计算机控制的大型复杂天文仪器。可以毫不夸张地说，没有望远镜的诞生和发展，就没有现代天文学，更没有天文摄影。因此，为了纪念第一个将望远镜指向天空的科学大师伽利略，联合国将2009年定为国际天文年。
天文摄影：了解耀眼的星空
文章由李亮撰写，照片由李亮提供 NASA
各种望远镜
1608年，荷兰眼镜制造商汉斯·利伯施（Hans）无意中使用了两个重叠的镜片来观看远处。他发现远处的物体被拉近了。后来他制作了一个圆柱体，并在两端安装了透镜，制成了一个简单的望远镜。 1609 年 7 月的一天，意大利科学家伽利略·伽利雷听到了汉斯·利伯施的故事。他受到很大的启发，开始研制望远镜。经过多次实验，伽利略建造了一架可以放大9倍的望远镜。同年，他用平凸透镜作为作物透镜，凹透镜作为目镜，制造出口径为4.2厘米、长度约1.2米的望远镜。当伽利略将自己研制的望远镜指向天空时，他发现月球上有山脉和平原，金星也有类似月亮的盈亏，浩瀚的银河系原本是由无数星星组成的；后来，这样的望远镜仍然被使用，他还发现了木星的四颗卫星、土星周围的异物（也就是人们很多年后才知道的土星环）等，并详细描述了太阳黑子。使用这种光学系统的望远镜称为伽利略望远镜。
■ 伽利略，科学大师。
■ 伽利略向威尼斯官员展示了一台自制的天文望远镜，并教他们如何用它来观察遥远的海上船只和星星。
1888年，在美国金融家詹姆斯·利克的资助下，利克天文台成立，建造了口径91厘米、长18.3米的利克望远镜。这打破了俄罗斯普尔科沃天文台1885年创下的30英寸折射望远镜的纪录。 1895年，美国著名天文学家乔治·埃勒里·黑尔说服芝加哥有轨电车大亨查尔斯·泰森·耶克斯资助建造一座一米折射望远镜，并命名为天文台“耶克斯”。 1897年5月21日，这台直径1.02米、长约18米的望远镜竣工。望远镜的旋转装置重20吨，平衡性很好，据说可以用力推动直到今天，它仍然是世界上最大的折射望远镜。
■ “利维坦”望远镜。这台望远镜是爱尔兰罗斯伯爵耗资3万英镑，历时20多年自制的。它的直径为1.82米，管长17米，反射器重3.6吨。它需要四个人来操作，但它的聚光能力非常强。
■ 著名的“海尔望远镜”（口径5.08米）落成，举行了隆重的庆祝活动。
早在1850年代，一位德国化学家就发现了一种使玻璃表面镀银的方法，这启发了天文学家应用这项技术来制造玻璃镜。真正把反射望远镜做成大型的，是美国天文学家乔治·埃勒里·黑尔和他的合作者、制镜天才乔治·威利斯·里奇。他们的第一次成功合作是加利福尼亚州威尔逊山天文台的 60 英寸（1.5 米）反射望远镜。在实践中，里奇创造性地利用无尘环境，即洁净室进行镜子加工，成为后来者的制镜典范。这台高性能望远镜于 1908 年竣工，开创了大型反射望远镜的现代时代。在望远镜制造过程中，思维敏捷的海尔开始筹集资金，用于制造一台100英寸（2.54米）的望远镜。结果，他得到了洛杉矶富商约翰·胡克的资助，并向他承诺望远镜将以胡克的名字命名。 1918年，“胡克望远镜”终于在里奇手中制作成功。胡克望远镜拥有强大的聚光能力，它向人们展示了一个前所未有的神奇宇宙。哈勃利用它首次发现并确认了第一个河外星系——仙女座星云（M31）。他发现了许多河外星系，并发现河外星系正在远离我们。这是我们的宇宙正在膨胀的重要观测证据。 ，从而创造了观测宇宙学和星系天文学。在此后的30年里，“胡克望远镜”一直是世界上最大的反射天文望远镜。
■ 赫歇尔发现天王星时使用的望远镜（15 厘米孔径）（中上图）和伽利略望远镜（左下图）。牛顿发明的反射望远镜（右下图）。
1929年，黑尔从洛克菲勒基金会获得了一大笔资金，他计划建造一台更大的反射望远镜——200英寸（5.08米）的望远镜。它于1930年代开始建造，其建造技术在当时堪称奇迹。望远镜玻璃镜毛坯于1934年铸造成功，为了避免气泡和缺陷，大约花了10个月的时间慢慢冷却，然后从康宁工厂取出。被运送到加利福尼亚州的帕洛玛山脉“定居”。当时，巨大的镜坯被装在 17 英尺高的盒子里，只在白天用火车运输，速度不超过每小时 25 英里。当时，铁路两旁都站满了围观者，有的学校甚至停课组织学生参观这个庞然大物。这面巨大的镜子被运往加利福尼亚州进行最后的抛光。 1941年，除了主镜外，望远镜的其他部分，包括圆顶观测室都完成了。由于当时正值二战期间，直到1947年镜毛坯才最终被加工成镜子并安装在望远镜上。 1938年黑尔去世。为了表彰和纪念海尔伟大的历史成就，人们将望远镜称为“海尔”。时至今日，它在太空探索中仍然发挥着重要作用。
■ 1783年赫歇尔制造的口径1.22米的反射望远镜。
20世纪中叶后，天文学家面临新的困境——如何建造比海尔望远镜更大的望远镜？这似乎是不可能的，较大的玻璃镜片容易出现裂纹，并且可能由于自身重力而变形。 20世纪80年代，为了增强望远镜的聚光能力，有人提出望远镜主镜直径应在4米以上；事实上，传统的保持图像质量和防止镜头因重力变形的方法受到成本和结构的限制。重量限制不再适用。为了提高大中型望远镜的成像质量，主动光学系统诞生了。
主动光学系统最初是美国军方开发的一项新技术，旨在减少大气扰动对图像的影响。后来，天文学家将这项技术应用到望远镜研究中，将主动光学系统与多镜望远镜技术相结合，可以提供比以前的陆基望远镜更清晰的宇宙中微弱物体的图像。第一个完整的主动光学望远镜，欧洲南方天文台的3.5米新技术望远镜（NTT），于1989年在智利拉西拉天文台投入使用。
■ 胡克反射望远镜，口径2.54米。
多镜望远镜是20世纪80年代出现的一项新技术。他们主要是利用许多副镜组成望远镜的主镜来获得合成的单图像。当多镜望远镜运行时，需要计算机来控制每个子镜的形状和位置，调整望远镜的指向，并跟踪天空中的目标。这种由多个分立镜面组成的新型天文望远镜避免了制造巨型单镜望远镜带来的诸多困难，并且可以显着降低制造成本。
最早的多镜望远镜是美国史密森天文台于1979年启用的，该望远镜由六个反射镜组成，直径为1.8米。它们围绕中心排列成正六边形。通过合束器，效果相当于口径4.5米的大型望远镜。说起这台多镜望远镜的来历，我们还得从一堆不用的望远镜零件说起。当时，由于美国和苏联正处于冷战时期，美国空军建造了六面相对较轻的72英寸（1.8米）镜子。这套镜头原本打算用在军用卫星上。结果，他们就闲置了。亚利桑那大学和史密森学会合作设计和建造了这台新型反射望远镜。它采用水平装置，仪器和观测室的尺寸明显小于一般结构的望远镜。相比之下，海尔望远镜圆顶室中的望远镜所占据的空间比多镜望远镜要大得多。它安装在美国亚利桑那州图森市以南60公里处的霍普金斯山山顶，海拔2600米。
■ 1845年，爱尔兰天文学家厄尔·罗斯用一架巨大的自制望远镜观测了M51。这是天文学家发现的第一个螺旋星云。
■ 天文学家哈勃正在操作望远镜进行天文观测。
1998年，这台6镜筒多镜望远镜改造为单镜主镜（有效通光孔径6.5米）； 2003年，望远镜新型自适应光学变形副镜调试成功，标志着望远镜转型的开始。采用光学变形镜的重要新进展。据专家介绍，MMT改装6.5米望远镜的自适应光学校正镜是其副镜，直径为1米。该设备减少了其他自适应光学系统所需的八个镜子。为了使这款直径1米的自适应光学校正镜表面能够及时变形，其镜片厚度仅为2毫米。
多镜望远镜中使用的镜片与所有其他玻璃镜片一样，也会经历热膨胀和收缩，这会导致望远镜的焦点发生变化。因此，必须考虑通风问题。望远镜周围的建筑物设计有足够的开放空间，以保证空气在夜间能够充分流通，从而使望远镜的温度能够迅速下降到与环境温度相同。一旦望远镜的温度达到夜间空气的温度，望远镜的焦点就会稳定，望远镜就可以使用了。多镜望远镜安装在水平支架上，可以上下左右移动，就像军舰上的炮位一样。多镜望远镜支架的设计离不开计算机的应用。计算机可以及时调整支架，使望远镜的视线即使在地球自转的情况下也保持在观测目标上。望远镜底座并不是唯一可以移动的部分，但整个建筑都被设计成可以旋转，以便能够跟随望远镜的移动。事实上，即使有了计算机的帮助，让所有镜头指向同一点并同步操作始终是一个挑战。
■ 英澳联合反射式3.9米光学望远镜于1974年在澳大利亚建成。
20世纪90年代，得益于威廉·凯克基金会的慷慨资助，加州理工学院和加州理工学院联合建造了“凯克一号”和“凯克二号”望远镜，位于夏威夷海拔14000英尺（4267.2米） ）在莫纳克亚山。每块镜子由36块直径1.8米的六角形镜子组成，有效直径为10米。通过计算机控制的主动光学支撑系统的调节，镜面保持极高的精度。这两座望远镜分别于1993年和1998年建成。它们曾经是世界上最大的光学天文望远镜。每台凯克望远镜均由计算机控制的主动光学支撑系统调节，使镜面保持极高的精度。总重200吨，还可用于红外观测。
每台凯克望远镜重300吨，有八层楼高，有效物镜尺寸为10米（33英尺），可以收集可见光和红外光。凯克望远镜收集和集中光线的大镜子与南非大型望远镜类似，两者都有内部冷却系统，以保护镜子免受温度变化引起的变形。望远镜系统中有一个非常重要的小透镜，是专门用来弯曲光线的。即使在高高的莫纳克亚山，凯克望远镜也必须克服地球大气层的折射；这个 6 英寸（15 厘米）的透镜每秒改变形状 670 次，以抵消地球大气层对入射光的影响。
■ 欧洲南方天文台VLT 主镜下方安装了150 个主动光学执行器。
“大金丝雀望远镜”由36个小六角形透镜组成。该望远镜的直径为 10.4 米（34.3 英尺）。拉丁文名称为Gran，简称GTC；也称为Great、GCT。耗资1.8亿美元建造。迄今为止世界上最大的拼接镜面望远镜，于2007年7月投入使用，放置在西班牙近海加那利群岛大加那利岛拉帕尔马岛的一座山上。世界上最大的望远镜使用自适应光学器件来捕捉遥远的星系、黑洞和早期宇宙中诞生的系外行星。
另外，值得一提的是，2009年6月4日，我国国家重大科学工程——大天区光纤分光天文望远镜（）在国家发展和改革委员会河北兴隆观测基地获得批准。中国科学院天文台.国家竣工验收由该委员会组织进行。这台望远镜于2008年竣工，是一台反射式施密特望远镜，采用拼接镜面，有效通光孔径4米，焦距20米，视场20平方度。其技术特点是：将主动光学技术应用于反射式施密特系统，在跟踪天体运动的同时进行实时球差校正，实现大光圈和大视场的功能；球面主镜和反射镜均采用拼接技术；多物镜光纤分光技术（可达4000个，而普通望远镜只有600个）是一个重要突破。将通用测量星系的极限星等推至20.5m，比SDSS计划提高约2个星等，实现107个星系的通用光谱测量，观测目标数量增加1个数量级。它的研发成功，标志着我国科技工作者不仅掌握了拼接镜技术，而且主动光学和自适应光学技术也通过了考验。此前，我国国家天文台位于河北兴隆天文台的2.16米口径反射望远镜一直是远东地区最大的光学望远镜。直到2007年5月，它在该领域称霸了18年，在云南丽江高美古望远镜上持续了3年零8个月。建成口径2.4米的高性能光学望远镜，被誉为新一代“东亚镜王”，取代2.16米望远镜。
■ “大麦哲伦”望远镜有效口径为21.4米。
哈勃和膨胀的宇宙
埃德温·哈勃被誉为20世纪最伟大的天文学家。因为他的发现，人类彻底改变了对其在宇宙中位置的认识，不再相信自己是宇宙的中心。
借助望远镜和摄影技术，我们才能真正体会到“天地广阔”、“天外有天”的含义。各种迷人的天体，银河系和河外星系形状各异。景色是那么的幽静、深邃、壮观，却也变化无穷。
18世纪末，西方国家的天文学爱好者掀起了寻找彗星的热潮。几乎每个拥有天文望远镜的人都愿意花大量时间巡视天空。他们期望发现我们太阳系的新成员。一旦成功，他们将获得奖金和奖牌。 、荣誉勋章等将送给幸运的观察者。在安静的星空中，人们常常会看到一些模糊、暗淡、白色的云状斑点，西方人称之为“”，即星云的意思。事实证明，该星云是彗星搜寻观测者感到沮丧的一个主要根源。
■ 非常大的天文望远镜的渲染。
1745年之前，已发现20多个星云。 1786年，法国著名天文学家梅西耶发现了103个星云和星团。后来，爱尔兰阿尔玛天文台台长德雷尔在1864年根据约翰·赫歇尔的《星云总表》（简称GC表，列出了5079个天体），出版了三个星云和星团表。第一个是1888年出版的《新星云和星团总表》，简称NGC目录，包含了7840个星云和星团数据。第二、三本是1895年和1908年出版的两份补编，名为《星云和星团新总表的延续》，简称IC目录，包含了5386个星云和星团数据。当现代天文学家提到星云和星团时，他们通常引用 NGC 和 IC 编号。例如，著名的蟹状星云被称为“德雷尔表”，因为它是第 1952 个条目；另一个例子是仙女座星云。
■ 哈勃太空望远镜拍摄的双子座爱斯基摩星云（左上）。猫眼星云（右上）。美国斯皮策太空望远镜拍摄的螺旋星云红外图像（左下）。玫瑰星云 NGC 2237。它是一个距离三千光年的大型发射星云（右下）。
早在1750年，英国天文学家赖特就推测其中一些“星云”可能是独立的巨大恒星系统。 1755年，德国哲学家康德出版了《自然与天体通史》一书。在本书中，康德以其超人的智慧提出了三个重要的假说。 (1)关于太阳系起源的星云假说。 （2）银河系是一个扁球状星团，还有其他类似银河系的“星团天体”。 (3)海洋潮汐摩擦会使地球自转减慢。康德认为，太阳系所在的巨大恒星集合（指银河系）并不是宇宙中孤立的群体。仿佛是浩瀚太空海洋中的一座岛屿。那些星云可能就是这样一个“岛屿宇宙”。后来的观察研究证明康德的观点是正确的。
■ 正是因为有了天文望远镜，地球上的人类才能看得更远，了解自己在宇宙中的位置，看到明亮星星的迷人色彩，这也增强了人类探索太空的欲望。
1776年，威廉·赫歇尔观察到某些星云确实是由许多小恒星组成的，并第一个证明了康德的岛屿宇宙假说。但他也发现有些星云无法区分恒星，比如一些弥漫星云和行星状星云。当时还不确定这个无法辨别恒星的星云是否真的是一个宇宙岛。 1845年，爱尔兰天文学家罗斯花费约3万英镑，成功建造了一架口径约1.82米的大型望远镜。尽管它非常笨重并且需要四个人来操作它，但使用它还是取得了一些重要的发现。罗斯用它来识别一些具有漩涡形状的云状物体；它还证实了赫歇尔认为的许多“星云”实际上是星团。罗斯发现M5l（梅西耶表中的第51个天体）具有独特的涡旋结构。他从M5l的特征外观得出结论，这个星云实际上是一个巨大的旋转恒星涡旋。
■ 哈勃太空望远镜执行最后的任务。
到了本世纪初，越来越多的星云观测数据被收集起来，人们开始解决一些与星云有关的重大天文问题。例如，螺旋星云距离地球有多远？是在银河系之外吗？螺旋星云是气体星云还是类似于银河系的天体系统？ 1915年，美国天文学家柯蒂斯提出了自己的观点：如果一个星云的距离大于银河系，那么它一定是一个远离银河系的星系。相反，它应该是银河系的一员。后来，他测量出仙女座螺旋星云距离地球约1万光年。 1918年，美国天文学家沙普利得出结论，该星云是银河系的一员。他估计银河系的直径为30万光年。柯蒂斯后来重新检验了他的计算，将仙女座星云的距离延长了1000倍；他在He和其他星云中发现了许多新恒星。他认为新恒星的出现表明它们不是气体星云，而是恒星系统。所谓的漩涡星云的命名并不恰当。由于对观测事实的偏爱和对观测事实真实本质的认识不足，天文学界形成了两种对立的学术观点。柯蒂斯相信宇宙岛确实存在，而沙普利则认为柯的证据不足，坚决反对。 1920年4月24日，美国国家科学院在华盛顿召开了“宇宙的规模”学术研讨会。沙普利和柯蒂斯就银河系的大小和螺旋星云的真相展开了面对面的辩论。这是现代天文学史上的著名事件。一场伟大的科学辩论。由于双方都无法提供令人信服且充分的证据，未能说服对方。后人的评价是，就银河系大小的估计而言，两者是不同的，即沙普利的估计大三倍，柯蒂斯小三分之一。柯蒂斯曾指出，宇宙中充满了类似银河系的河外星系。
■ 哈勃望远镜拍摄到的土星环图像，与地球成 27° 角。每三十年，地球上的观测者就有机会欣赏土星的南极和南环。
■ 恒星碎片的合成图像。
直到1924年，美国天文学家哈勃凭借其纯熟的观测技巧，使用当时直径2.54米的巨型反射望远镜拍摄了仙女座星云和M33三角座的照片。照片中，星云边缘已被解析恒星，其中后来发现了十几颗造父变星。利用沙普利和莱维特发现的周期光度关系，哈勃推断出仙女座星云距离我们大约93万光年（现在已知距离225万光年），远远超出了银河系的范围。于是哈勃向在华盛顿举行的美国科学促进会和美国天文学联合会的会议发送了一篇描述他的观测结果的论文。著名天文学家拉塞尔读了他的论文，认识到了M31和M33之间的关系。地球距地球约 930,000 光年。仙女座星云（M31）是人类认识的第一个河外星系。它的直径约为16万光年，估计包含约300至4000亿颗恒星。 1926年，哈勃发表划时代的文章《漩涡星云作为恒星系统》，引起强烈反响。从此，他的名字在天文学界传开，他后来被称为“银河天文学之父”。
目前已知亮于20星等的河外星系约有2000万个，亮于或等于23星等的河外星系总数可达10亿个以上。我们的银河系似乎只是一个普通的宇宙岛屿。
1926年哈勃根据星系的形状将星系分为四类：椭圆星系、螺旋星系、棒旋星系和不规则星系。他的分类系统经过修订，至今仍在使用。它是目前应用最广泛的星系形态分类系统，简称“哈勃分类”。
■ 哈勃太空望远镜即将与航天器分离。
1929年，哈勃终于有了一些划时代的发现。当时，哈勃利用造父变星周期光距测量方法确认了螺旋星云位于银河系之外。到1929年，它已经测量了18个星系的距离和26个星系（其中40个）的径向速度。 （由 测量），速度在每秒 1,000 公里以内。哈勃分析和研究了现有的红移数据（基于斯利弗的观测数据）和新测量的距离数据。
哈勃研究并分析了24个河外星系的距离和红移。结果，他发现河外星系的距离和视向速度之间存在线性关系：距离越远的星系，其视向速度越大，即Vr=cZ=H0·r，这就是后来成为举世闻名的“哈勃定律”。
上式中的c为光速，Z为红移，r为距离。 H0（=vr/r）是哈勃测得的常数，后来被命名为“哈勃常数”。单位为公里每秒·百万秒差距。 H0的实际含义是指星系的径向速度（或视为星系的退行速度）每经过一百万秒差距就增加H0公里。例如，如果H0=50公里/秒·百分比秒差距，那么如果某个星系W的Vr为1000公里/秒，则该星系的Vr 距离该星系近100万秒差距的U星系的Vr银河系，是950公里/秒。尽管天文学家已经肯定哈勃定律完全正确，但星系距离与退行速度之间的比例系数（即哈勃常数）的数值却并不一致。原因是确定星系之间的距离并不容易。
■ 科学家拍摄哈勃望远镜的照片。
哈勃当时将H0值设定为500公里每秒每兆秒差距（可以读作500公里每秒每兆秒差距）。 1953年哈勃因病去世，他的学生桑德奇继承了他观测大宇宙的事业。桑德奇等人在更大范围内进行了进一步的精确测量，最终对哈勃提出的常数值进行了重大修正，即将其降低到50公里/秒·百万秒差距至100公里/秒。秒到兆秒差距之间。到目前为止，哈勃常数的测定仍然存在一倍左右的误差。几十年来，关于哈勃常数精确值的讨论，或者说近20年的“哈勃常数战争”，实际上仍然是关于距离测量精度的争论，即关于距离测量可靠性的争论方法和技术。 。哈勃在生前曾说过这样的话：“星系是一群孤立在太空中的恒星。它在宇宙中漂流，就像一群蜜蜂在夏日的天空中游泳。从我们的位置（即星系的某一部分地方）来看，你可以透过星星看到它们的边界，看到宇宙中遥远的地方。”
1930年，英国天文学家爱丁顿（）解释了阿拉加河外星云作为宇宙的扩张效应的一般回归。哈勃定律为宇宙扩展提供了主要的观察证据，它成为测试各种未来宇宙学理论的第一个试金石。哈勃定律揭示了宇宙的事实：几乎所有星系都以极快的速度远离地球！哈勃定律的建立是20世纪的一项重大科学成就。它带来了人类对宇宙概念的深刻变化。它证明了宇宙整体静止的概念完全过时。当时，哈勃和他的能力合作者哈马森谨慎地采用了“明显的星系衰退”这个名字。但是，观察到的事实是，星系距离距离距离越远，它们移动的速度越快表明，宇宙永远不会像早期的科学家所想的那样。正如您所想的那样，它不是静态的，但是正在扩展。这种扩展是整个空间的均匀扩展。因此，观察者在任何时候都会看到完全相同的扩展。从任何星系中，所有星系都以其为中心沿各个方向散布。较快的星系彼此分散。哈勃定律的最大意义不仅是它确认宇宙正在扩大，而且还提供了一种估计宇宙年龄的方法。
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发表于 2024-11-24 01:42:13