6.1: 望远镜

学习目标

• 描述现代天文源测量系统的三个基本组成部分
• 描述望远镜的主要功能
• 描述可见光望远镜的两种基本类型以及它们如何形成图像

测量辐射的系统

测量天文源辐射的现代系统有三个基本组成部分。 首先，有一台望远镜，它可用作收集可见光（或其他波长的辐射）的 “桶”，如（图\(\PageIndex{1}\)）所示。 就像你用垃圾桶比用咖啡杯能吸到更多的雨一样，大型望远镜收集的光线比你的眼睛要多得多。 其次，望远镜上装有一种仪器，可以按波长对入射的辐射进行分类。 有时排序相当粗略。 例如，我们可能只想将蓝光和红光分开，这样我们就可以确定恒星的温度。 但是在其他时候，我们希望看到单独的光谱线来确定物体是由什么构成的，或者测量其速度（如《辐射与光谱》一章中所述）。 第三，我们需要某种类型的探测器，一种能够感知我们选择的波长区域中的辐射并永久记录观测结果的设备。

图不同波长的\(\PageIndex{1}\)猎户座区域。 使用对不同频谱波段敏感的仪器进行观测时，天空的同一部分看起来会有所不同。 (a) 可见光：它显示了猎户座区域的一部分，并添加了虚线以显示神话猎人猎户座的身影。 (b) X射线：在这里，视图突出显示了附近的点状X射线源。 这些颜色是人造的，随着 X 射线能量的增加，从黄色变为白色再到蓝色。 在这张照片中仍然可以看到猎户座中明亮而炎热的恒星，但位于不同距离的许多其他物体也是如此，包括其他恒星、星体和位于可观测宇宙边缘的星系。 (c) 红外辐射：在这里，我们主要看到该区域发光的尘埃。

天文望远镜的发展历史是关于如何应用新技术来提高这三个基本组件的效率：望远镜、波长分选设备和探测器。 让我们先来看看望远镜的发展。

许多古代文化建造了特殊的天空观测场所（图\(\PageIndex{2}\)）。 在这些古老的天文台上，他们可以测量天体的位置，主要是为了跟踪时间和日期。 这些古老的天文台中有许多也具有宗教和仪式功能。 眼睛是唯一可用来收集光线的设备，同时观察到光线中的所有颜色，观测结果的唯一永久记录是人类写下或勾勒出他们所看到的东西的。

图\(\PageIndex{2}\)图两个预伸缩天文台。 (a) 马丘比丘是位于秘鲁的十五世纪印加遗址。 (b) 巨石阵是史前遗址（公元前3000—2000年），位于英格兰。

Hans Lippershey、Zaccharias Janssen 和 Jacob Metius 都因在 1608 年左右发明了望远镜而受到赞誉，但伽利略在 1610 年使用了这个带镜头的简单管子（他称之为望远镜）来观察天空并收集比他更多的光线光靠眼睛就可以。 即使是他的小型望远镜（在许多夜晚使用）也彻底改变了关于行星本质和地球位置的观念。

望远镜的工作原理

自伽利略时代以来，望远镜已经走了很长一段路。 现在，它们往往是大型设备；最昂贵的成本高达数亿至数十亿美元。 （但是，为了提供一些参考点，请记住，仅翻新大学橄榄球场通常要花费数亿美元，而最近最昂贵的翻新工程是德克萨斯农工大学的凯尔球场，耗资4.5亿美元。） 天文学家不断建造越来越大的望远镜的原因是，天体——例如行星、恒星和星系——向地球发出的光比任何人眼（开口很小）都能捕捉到的要多得多，而更大的望远镜可以探测到更微弱的物体。 如果你曾经和一群朋友一起看过星星，你就会知道有很多星光可以转转；你们每个人都能看见每颗星星。 如果还有一千人在观看，他们每个人也会捕捉到每颗星星的光线。 但是，就你而言，没有照射到你眼中的光线被浪费掉了。 如果这些 “浪费” 的光线也能被捕捉到并带到你的眼前，那就太好了。 这正是望远镜的作用。

望远镜最重要的功能是（1）收集来自天文源的微弱光线，（2）将所有光聚焦到一个点或图像中。 天文学家感兴趣的大多数天体都非常微弱：我们可以收集的光越多，我们就能更好地研究这些天体。 （请记住，尽管我们首先关注可见光，但有许多望远镜可以收集其他类型的电磁辐射。）

收集可见辐射的望远镜使用镜头或镜子来收集光线。 其他类型的望远镜可能使用看起来与我们熟悉的镜头和反射镜截然不同的采集设备，但它们的功能相同。 在所有类型的望远镜中，聚光能力由充当聚光 “桶” 的设备的面积决定。 由于大多数望远镜都有镜子或透镜，我们可以通过比较光线传播或反射的开口的孔径或直径来比较它们的聚光能力。

望远镜可以收集的光量随着孔径大小的增加而增加。 带有直径为 4 米的镜子的望远镜所能收集的光量是直径为 1 米的望远镜的 16 倍。 （直径是平方，因为圆的面积等于\(\pi d^2/4\)，其中\(d\)是圆的直径。）

示例\(\PageIndex{1}\)：计算集光面积

直径为 1 米的望远镜的面积是多少？ 直径为 4 米的？

解决方案

使用方程表示圆的面积，

\[A= \frac{\pi d^2}{4} \nonumber\]

1 米望远镜的面积为

\[\frac{\pi d^2}{4}= \frac{\pi (1 \text{ m})^2}{4}=0.79 ~ \text{m}^2 \nonumber\]

而且 4 米望远镜的面积是

\[\frac{\pi d^2}{4} = \frac{ \pi (4 \text{ m})^2}{4}=12.6 \text{ m}^2 \nonumber\]

练习\(\PageIndex{1}\)

显示两个区域的比例为 16:1。

回答

\[\frac{12.6 \text{ m}^2}{0.79 \text{ m}^2}=16. \nonumber\]

因此，4米望远镜的面积为16倍，收集的光量是1米望远镜的16倍。

望远镜形成图像后，我们需要某种方法来检测和记录它，以便我们可以用各种方式测量、再现和分析图像。 十九世纪之前，天文学家只是用眼睛看图像，然后写下他们所看到的东西的描述。 这非常低效，没有产生非常可靠的长期记录；你从电视上的犯罪节目中知道，目击者的陈述往往不准确。

在十九世纪，摄影的使用变得很普遍。 在那些日子里，照片是经过特殊处理的玻璃板上图像的化学记录。 如今，图像通常使用类似于数码相机中的传感器进行检测，以电子方式记录并存储在计算机中。 然后，该永久记录可用于详细的定量研究。 专业天文学家很少透过他们用于研究的大型望远镜观察。

由镜头或镜子形成图像

无论你是否戴眼镜，你都可以通过镜片看世界；眼镜是你眼睛的关键元素。 镜头是一种透明的材料，它会弯曲穿过它的光线。 如果光线进入时是平行的，则镜头将它们聚集在一个地方形成图像（图\(\PageIndex{3}\)）。 如果镜头表面的曲率恰到好处，则所有平行的光线（比如来自恒星的光线）都会弯曲或折射，使它们向一个称为镜头焦点的点会聚。 在对焦处，出现光源的图像。 在平行光线的情况下，从镜头到镜头后面光线聚焦位置或图像的距离称为镜头的焦距。

图通过简单镜头\(\PageIndex{3}\)形成图像。 来自遥远光源的平行光线被凸透镜弯曲，因此它们全部聚集在一个地方（焦点）形成图像。

当你看图\(\PageIndex{3}\)，你可能会问为什么来自同一颗恒星的两条光线会彼此平行。 毕竟，如果你画出一张四面八方闪耀的星星的照片，那么来自恒星的光线看起来根本不平行。 但是请记住，恒星（和其他天文物体）都非常遥远。 当指向我们的几条光线真正到达地球时，出于所有实际目的，它们已经彼此平行了。 换句话说，任何与指向地球的射线不平行的射线现在都在宇宙中朝着截然不同的方向前进。

为了查看望远镜中镜头形成的图像，我们使用了一个称为目镜的附加镜头。 目镜将图像聚焦在人类可以直接看到的距离或探测器的方便位置。 使用不同的目镜，我们可以改变图像的放大倍数（或大小），还可以将光线重定向到更容易接近的位置。 恒星看起来像光点，放大它们没有什么区别，但是有结构的行星或星系的图像通常可以从放大中受益。

许多人在想到望远镜时，会想象一根长管，一端有一个大玻璃镜头。 正如我们一直在讨论的那样，这种使用透镜作为其主要光学元件来形成图像的设计被称为折射镜（图\(\PageIndex{4}\)），基于这种设计的望远镜被称为折射望远镜。 伽利略的望远镜是折射镜，今天的双筒望远镜和野战眼镜也是如此。 但是，折射望远镜的大小是有限的。 有史以来最大的折射镜是为1900年巴黎博览会建造的49英寸折射镜，在世博会后被拆除。 目前，最大的折射望远镜是威斯康星州耶克斯天文台的40英寸折射镜。

图：\(\PageIndex{4}\)折射和反射望远镜。 光线通过上端的透镜进入折射望远镜，该透镜将光聚焦在望远镜底部附近。 然后，目镜会放大图像以便眼睛可以看到图像，或者可以将探测器（如照相板）放在对焦处。 反射望远镜的上端是打开的，光线穿过位于望远镜底部的镜子。 然后，镜子将光线聚焦在顶端，在那里可以检测到光线。 或者，如本草图所示，第二面反射镜可以将光反射到望远镜结构之外的某个位置，观察者可以更轻松地进入该位置。 专业天文学家的望远镜比这更复杂，但它们遵循相同的反射和折射原理。

折射望远镜的一个问题是光线必须穿过折射镜的透镜。 这意味着玻璃必须始终保持完美，事实证明，要制造出没有瑕疵和气泡的大块玻璃是非常困难的。 此外，透明材料的光学特性会随着光的波长（或颜色）而略有变化，因此会有一些额外的失真，称为色差。 每种波长的聚焦点略有不同，导致图像显得模糊。

此外，由于光线必须穿过镜头，因此只能将镜片支撑在其边缘（就像我们的眼镜框一样）。 重力会导致大型镜头下垂并扭曲光线穿过时的路径。 最后，由于光线会穿过镜头，因此镜头的两侧必须精确制作成正确的形状，才能产生清晰的图像。

另一种类型的望远镜使用凹面主镜作为其主要光学元件。 镜子像球体的内表面一样弯曲，它反射光线以形成图像（图\(\PageIndex{4}\)）。 望远镜镜涂有闪亮的金属，通常是银、铝，偶尔还有金色，以使其具有高反射性。 如果镜子的形状正确，则所有平行光线都会反射回同一个点，即镜子的焦点。 因此，图像是由镜子产生的，就像镜头产生的图像完全一样。

用镜子设计的望远镜避免了望远镜折射的问题。 由于光线仅从正面反射，因此玻璃内部的缺陷和气泡不会影响光的路径。 在用反射镜设计的望远镜中，只需要将正面制造成精确的形状，并且镜子可以从背面支撑。 出于这些原因，当今大多数天文望远镜（包括业余望远镜和专业望远镜）使用镜子而不是镜头来形成图像；这种望远镜被称为反射望远镜。 艾萨克·牛顿于 1668 年建造了第一台成功的反射望远镜。

在反射望远镜中，凹面镜放置在管道或开放框架的底部。 镜子将光线反射回灯管，在前端附近的一个称为主焦点的位置形成图像。 可以在主要焦点观察图像，或者额外的反射镜可以拦截光线并将其重定向到观察者可以更轻松地看到的位置（图\(\PageIndex{5}\)）。 由于处于主要焦点的天文学家可以阻挡进入主镜的大部分光，因此使用小型辅助镜可以让更多的光线通过系统。

反射望远镜的人物\(\PageIndex{5}\)焦点安排。 反射望远镜对光线聚焦的位置有不同的选择。 使用主焦时，从主反射镜反射后，可以检测到光线进入焦点的位置。 使用牛顿聚焦时，光线会被一个小的辅助镜反射到一侧，在那里可以被检测到（另见图\(\PageIndex{4}\)）。 大多数大型专业望远镜都有卡塞格林焦点，在这种焦点中，光线通过主镜上的孔向下反射到望远镜下方的观测站。

选择你自己的望远镜

如果你正在学习的天文学课程激起了你进一步探索天空的胃口，那么你可能正在考虑购买自己的望远镜。 有许多优秀的业余望远镜可供选择，需要进行一些研究才能找到最适合您需求的模型。 关于个人望远镜的一些很好的信息来源是两本针对业余天文学家的热门美国杂志：《天空与望远镜》和《天文学》。 两者都定期刊登来自知名望远镜经销商的建议、评论和广告的文章。

决定哪种望远镜适合你的一些因素取决于你的偏好：

• 你会把望远镜放在一个地方然后把它放在那里，还是想要一台便携式仪器，可以随身携带去户外短途旅行？ 就尺寸和重量而言，它应该有多便携？
• 你想只用眼睛观察天空，还是想拍照？ （例如，长时间曝光的摄影需要良好的时钟驱动器才能转动望远镜以补偿地球的自转。）
• 你会观察什么类型的物体？ 你主要对彗星、行星、星团或星系感兴趣，还是想观察各种天体？

你可能还不知道其中一些问题的答案。 出于这个原因，你可能想先 “试驾” 一些望远镜。 大多数社区都有业余天文学俱乐部，赞助向公众开放的明星派对。 这些俱乐部的成员通常对望远镜了解很多，可以与你分享他们的想法。 你的教师可能知道最近的业余天文学俱乐部在哪里会面；或者，要找到你附近的俱乐部，请使用附录 B 中建议的网站。

此外，你家里可能已经有了望远镜之类的仪器（或者可以通过亲戚或朋友获得望远镜之类的仪器）。 许多业余天文学家建议使用一副好的双筒望远镜开始对天空的调查。 它们很容易随身携带，可以向你展示许多肉眼看不见（或看不见）的物体。

当你准备购买望远镜时，你可能会发现以下想法很有用：

• 望远镜的关键特征是主镜或镜头的光圈；当有人说他们有 6 英寸或 8 英寸的望远镜时，它们指的是收集表面的直径。 光圈越大，你能聚集的光线就越多，你能看到或拍照的物体就越微弱。
• 使用镜头（折射镜）的给定光圈的望远镜通常比使用反射镜（反射镜）的望远镜更昂贵，因为镜头的两面都必须经过高精度的抛光。 而且，由于光线会穿过它，因此镜头必须始终由高质量的玻璃制成。 相比之下，只有镜子的正面必须经过精确的抛光。
• 放大倍率不是选择望远镜的标准之一。 正如我们所讨论的，图像的放大倍率是由较小的目镜完成的，因此可以通过更换目镜来调整放大倍率。 但是，望远镜不仅可以放大你正在观察的天文物体，还可以放大地球大气层的湍流。 如果放大倍率过高，您的图像会闪烁和抖动，难以查看。 一台好的望远镜将配备各种目镜，这些目镜将保持在有用的放大倍率范围内。
• 望远镜的支架（它所在的结构）是其最关键的要素之一。 由于望远镜显示的视野很小，视野会被显著放大，所以即使是望远镜最小的振动或震动也可以将你正在观察的物体移出视野或移出视野。 坚固稳定的支架对于严肃的观看或摄影至关重要（尽管它显然会影响望远镜的便携性）。
• 望远镜需要一些练习才能有效设置和使用。 不要指望在你第一次尝试时一切都会顺利进行。 花点时间阅读说明书。 如果附近有当地的业余天文学俱乐部，请将其用作资源。

摘要

望远镜收集来自天文源的微弱光线并将其聚焦，仪器可以根据波长对光进行分类。 然后，光线被引导到探测器上，在那里进行永久记录。 望远镜的聚光功率由其孔径或开口的直径决定，也就是说，由其最大的或主透镜或反射镜的面积决定。 望远镜中的主要光学元件要么是凸透镜（在折射望远镜中），要么是使光线聚焦的凹镜（在反射镜中）。 大多数大型望远镜都是反射镜；由于光线不必穿过玻璃，因此制造和支撑大型镜子更容易。

词汇表

缝隙

望远镜主透镜或反射镜的直径

色差

当进入透明材料的每个波长聚焦在不同的点时，失真会导致图像显得模糊

探测器

对电磁辐射敏感的设备，用于记录天文观测结果

目镜

放大镜用于查看望远镜的物镜或主镜产生的图像

焦点

（指望远镜）由镜子或镜头聚合的光线汇合的点

主要焦点

望远镜中物镜或主镜聚焦光线的点

反射望远镜

望远镜，其中主集光器是凹面镜

折射望远镜

望远镜，其中主集光器是透镜或透镜系统

望远镜

用于收集可见光或其他电磁辐射的仪器