6.2: 今天的望远镜
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- 202357
学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 认识当今运行的最大的可见光和红外望远镜
- 讨论与选择合适的望远镜地点相关的因素
- 定义自适应光学技术，描述大气对天文观测的影响
自牛顿时代以来，当望远镜中镜子的大小以英寸为单位测量时，反射望远镜变得越来越大。 1948 年，美国天文学家在南加州的帕洛玛山上建造了一台直径为 5 米（200 英寸）的镜子的望远镜。 几十年来，它一直是世界上最大的可见光望远镜。 但是，当今的巨头拥有直径为8至10米的主反射镜（望远镜中最大的反射镜），并且正在建造更大的反射镜（图\(\PageIndex{1}\)）。
现代可见光和红外望远镜
从1990年开始的几十年中，全球望远镜建设以前所未有的速度增长。 （参见表\(\PageIndex{1}\)，其中还包括每台望远镜的网站，供你访问或了解更多关于它们的信息。） 技术进步终于使以合理的成本建造比帕洛玛的5米望远镜大得多的望远镜成为可能。 新技术还被设计为在红外波长下很好地发挥作用，而不仅仅是可见波长。
| 孔径 (m) | 望远镜名称 | 地点 | 状态 | 网站 |
|---|---|---|---|---|
| 39 | 欧洲超大型望远镜 (E-ELT) | 智利 Cerro Armazonas | 2025 年第一盏灯（估计） | www.eso.org/sci/设施/eelt |
| 30 | 三十米望远镜 (TMT) | Mauna Kea，你好 | 2025 年第一盏灯（估计） | www.tmt.org |
| 24.5 | 巨型麦哲伦望远镜 (GMT) | 拉斯坎帕纳斯天文台，智利 | 2025 年第一盏灯（估计） | www.cmto.org |
| 11.1 × 9.9 | 南部非洲大型望远镜 (SALT) | 南非萨瑟兰 | 2005 | www.salt.ac.za |
| 10.4 | Gran Telescopio Canarias (GTC) | 加那利群岛拉帕尔马 | 2007 年第一道曙光 | http://www.gtc.iac.es |
| 10.0 | Keck I 和 II（两台望远镜） | Mauna Kea，你好 | 1993—96 年完成 | www.keckobservatory.org |
| 9.1 | Hobby—Eberly 望远镜 (HET) | 德克萨斯州洛克山 | 1997 年完成 | www.as.utexas.edu/mcdonald/HET |
| 8.4 | 大型双筒望远镜（LBT）（两台望远镜） | 亚利桑那州格雷厄姆山 | 2004 年第一道曙光 | www.lbto.org |
| 8.4 | 大型天气测量望远镜 (LSST) | 智利 Cerro Pachon | 2021 年第一道曙光 | www.lsst.org |
| 8.3 | 斯巴鲁望远镜 | Mauna Kea，你好 | 1998 年第一道曙光 | www.naojorg |
| 8.2 | 超大型望远镜 (VLT) | 塞罗帕拉纳尔，智利 | 所有四台望远镜都完成了 2000 年 | www.eso.org/public/teles-instr/paranal |
| 8.1 | 北双子座和南双子座 | 夏威夷州的莫纳克亚岛（北部）和智利的塞罗·帕雄（南部） | 1999 年第一道光（北）、First Light 2000（南） | www.gemini.edu |
| 6.5 | 麦哲伦望远镜（两台望远镜：巴德望远镜和兰登·克莱望远镜） | 智利拉斯坎帕纳斯 | 第一盏灯 2000 和 2002 | obs.carnegiesCience.edu/Magellan |
| 6.5 | 多镜望远镜 (MMT) | 亚利桑那霍普金斯山 | 1979 年完成 | www.mmtoorg |
| 6.0 | 大型望远镜 Altazimuth (BTA-6) | 帕斯图霍夫山，俄罗斯 | 1976 年完成 | w0.sao.ru/doc-en/Telescopes/bta/descrip.html |
| 5.1 | 黑尔望远镜 | 加利福尼亚州帕洛玛山 | 1948 年完成 | www.astro.caltech.edu/palomar/about/telescops/hale.htm |
帕洛玛望远镜和现代双子座北方望远镜（举个例子）之间的区别在图中很容易看出\(\PageIndex{2}\)。 帕洛玛望远镜是一个巨大的钢结构，旨在容纳直径为5米的14.5吨主镜。 玻璃在自身的重量下往往会下垂；因此，需要一个巨大的钢结构来支撑镜子。 如果使用与帕洛玛望远镜相同的技术建造直径为8米的镜子，其大小相当于Gemini North望远镜的大小，则其重量必须至少为Palomar望远镜的八倍，并且需要一个巨大的钢结构来支撑它。
相比之下，8 米长的 Gemini North 望远镜看起来像一台轻量级望远镜，事实确实如此。 镜子只有大约 8 英寸厚，重 24.5 吨，还不到 Palomar 镜子的两倍。 Gemini North 望远镜是在帕洛玛望远镜问世大约 50 年后完成的。 工程师们利用新技术建造了一台重量比主镜大小轻得多的望远镜。 双子镜确实会下垂，但是使用现代计算机，可以每秒多次测量下垂，然后在镜子背面的 120 个不同位置施加力量来纠正下垂，这个过程称为主动控制。 自1990年以来，已经建造了17台带有直径为6.5米及以上的反射镜的望远镜。
莫纳克亚岛上的双10米凯克望远镜是这些新技术仪器中的第一台，它以一种全新的方式使用精确控制。 每台凯克望远镜不是直径为10米的单个主镜，而是通过组合来自36个独立的六角反射镜（每个镜宽1.8米）的光来实现更大的孔径（图\(\PageIndex{3}\)）。 计算机控制的执行器（马达）不断调整这 36 个反射镜，使整个反射表面像一面形状恰到好处的单面反射镜一样，可以收集光线并聚焦成清晰的图像。
通过这段历史频道关于望远镜及其工作的片段，了解有关莫纳克亚岛凯克天文台的更多信息。
除了固定镜子外，望远镜的钢结构还经过精心设计，可以将整个望远镜快速指向天空中的任何物体。 由于地球在旋转，因此望远镜必须有一个电动驱动系统，该系统能够非常平稳地从东向西移动，其速度与地球从西向东旋转的速度完全相同，这样它才能继续指向正在观测的物体。 所有这些机器都必须安置在穹顶中，以保护望远镜免受各种因素的侵害。 穹顶中有一个开口，可以将其放置在望远镜前面并随之移动，这样观测物体发出的光就不会被阻挡。
George ellery Hale：望远镜建造大师
乔治·埃勒里·黑尔（图\(\PageIndex{4}\)）是早期望远镜制造商中的巨人。 他发起的项目不是一次，而是四次，最终建造了当时世界上最大的望远镜。 他擅长吸引富裕的捐助者为这些新工具的建造提供担保。
Hale 的训练和早期研究都是太阳物理学。 1892年，他在24岁时被任命为芝加哥大学星体物理学副教授兼天文台主任。 当时，世界上最大的望远镜是位于加利福尼亚州圣何塞附近的里克天文台的36英寸折射镜。 Hale 利用现有的 40 英寸望远镜的玻璃空白，着手筹集资金购买一台比里克望远镜更大的望远镜。 一位潜在的捐赠者是查尔斯·耶克斯，除其他外，他在芝加哥负责管理手推车系统。
黑尔写信给耶克斯，鼓励他支持建造巨型望远镜，他说：“捐赠者不可能再有持久的纪念碑了。 可以肯定的是，如果不是因为里克先生的慷慨而建立的著名天文台，他的名字今天就不会那么广为人知。” 耶克斯表示同意，新望远镜于 1897 年 5 月完工；它仍然是世界上最大的折射镜（图\(\PageIndex{5}\)）。
甚至在 Yerkes 折射镜完工之前，Hale 不仅梦想着建造一台更大的望远镜，而且还在采取具体步骤来实现这一目标。 19 世纪 90 年代，关于折射和反射望远镜的相对质量存在重大争议。 Hale 意识到 40 英寸接近折射望远镜的最大可行孔径。 如果要建造孔径明显大得多的望远镜，它们必须是反射望远镜。
Hale 利用从自己家里借来的钱，着手建造一个 60 英寸的反射镜。 为了找到一个地点，他离开了中西部，前往威尔逊山寻找更好的条件，威尔逊山当时是洛杉矶小城市上空的荒野山峰。 1904年，36岁的黑尔获得了卡内基基金会的资助，建立了威尔逊山天文台。 这面60英寸的镜子是在 1908 年 12 月放置在其支架上的。
两年前，即1906年，黑尔已经与约翰·胡克（John D. Hooker）接触，他在硬件和钢管领域发了大财，提议建造一台100英寸的望远镜。 技术风险是巨大的。 60英寸的望远镜尚未完工，大型反射镜对天文学的用处尚未得到证实。 乔治·埃勒里·黑尔的兄弟称他为 “世界上最伟大的赌徒”。 黑尔再次成功获得资金，100 英寸望远镜于 1917 年 11 月完工。 （正是通过这台望远镜，埃德温·哈勃得以确定螺旋星云是独立的恒星岛或星系，与我们自己的银河系相去甚远。）
Hale 不是在做梦。 1926年，他在《哈珀杂志》上写了一篇关于更大望远镜的科学价值的文章。 这篇文章引起了洛克菲勒基金会的注意，该基金会拨款600万美元用于建造一台200英寸的望远镜。 黑尔于 1938 年去世，但帕洛玛山上的 200 英寸（5 米）望远镜在 10 年后投入使用，现在以黑尔的名字命名。
挑选最佳观测地点
像双子座或凯克望远镜这样的望远镜的建造成本约为1亿美元。 这种投资要求将望远镜放置在尽可能好的地点。 自十九世纪末以来，天文学家已经意识到，最好的观测点位于山上，远离城市的灯光和污染。 尽管仍然存在许多城市观测站，尤其是在欧洲的大城市，但它们已成为行政中心或博物馆。 真正的行动发生在很远的地方，通常是在大西洋和太平洋的沙漠山脉或孤立的山峰上，在那里我们可以找到工作人员的生活区、计算机、电子设备和机械车间，当然还有望远镜本身。 如今，大型天文台除了需要天文学家外，还需要20至100人的辅助人员。
望远镜的性能不仅取决于其镜子的大小，还取决于其位置。 地球的大气层对生命至关重要，给观测天文学家带来了挑战。 我们的空气至少在四个方面限制了望远镜的用处：
- 最明显的限制是云层、风和雨等天气条件。 在最佳地点，多达75％的时间天气晴朗。
- 即使在晴朗的夜晚，大气层也会过滤掉一定量的星光，尤其是在红外线中，其吸收主要是由水蒸气引起的。 因此，天文学家更喜欢干燥的地点，通常位于高海拔地区。
- 望远镜上方的天空应该是黑暗的。 在城市附近，空气散射光线发出的眩光，产生的照明可以隐藏最微弱的星星并限制望远镜可以探测的距离。 （天文学家称这种效应为光污染。） 天文台最好位于距离最近的大城市至少 100 英里的地方。
- 最后，空气往往不稳定；穿过这种湍流空气的光线受到干扰，导致星星图像模糊。 天文学家称这些效应为 “不好看”。 当视力不好时，天体的图像会因湍流空气不断扭曲和弯曲的光线而失真。
因此，最好的天文台是高处、黑暗和干燥的。 世界上最大的望远镜位于偏远的山区，例如智利的安第斯山脉（图\(\PageIndex{6}\)）、亚利桑那州的沙漠山峰、大西洋的加那利群岛和夏威夷的莫纳克亚岛（海拔13,700英尺（4200米）的休眠火山。
光污染不仅是专业天文学家的问题，也是每个想要享受夜空之美的人的问题。 此外，现在的研究表明，它可以破坏与我们共享城市和郊区景观的动物的生命周期。 而且，浪费在天空中的光线会导致不必要的市政开支和化石燃料的使用。 有关人士成立了一个组织，即国际黑暗天空协会，其网站上充斥着大量信息。 一个名为 Globe at Nig ht 的公民科学项目允许你通过计算星星来测量社区中的光照水平，并将其与世界各地的其他人进行比较。 而且，如果你对这个话题感兴趣，想在大学期间为你的天文学课程或其他课程写一篇论文，那么 D ark Night Skies 指南可以为你提供有关该主题的各种资源。
望远镜的分辨率
除了尽可能多地收集光线外，天文学家还希望获得尽可能清晰的图像。 分辨率是指图像中细节的精度：即可以区分的最小特征。 天文学家总是渴望在他们研究的图像中找到更多细节，无论他们是在跟踪木星的天气，还是试图窥视最近在邻居吃午饭的 “食人星系” 的暴力心脏。
决定分辨率如何的一个因素是望远镜的大小。 光圈越大，图像越清晰。 但是，直到最近，地球表面的可见光和红外望远镜还无法产生像光理论所说的那样清晰的图像。
正如我们在本章前面看到的那样，问题在于我们星球的大气层动荡。 它包含许多小规模的气体斑点或气池，大小从英寸到几英尺不等。 每个细胞的温度与其相邻细胞的温度略有不同，每个细胞的作用就像一个透镜，会少量弯曲（折射）光路。 这种弯曲稍微改变了望远镜中每条光线最终到达探测器的位置。 空气细胞在运动，不断被风吹过望远镜的光路，通常在不同的高度向不同的方向吹过。 因此，灯光所走的路径在不断变化。
举个比方，可以考虑从摩天大楼高处的窗户上观看游行。 你决定向游行者扔一些五彩纸屑。 即使你同时朝同一个方向掉落一把碎片，气流也会把碎片扔到身边，它们会在不同的地方到达地面。 正如我们前面描述的那样，我们可以将来自恒星的光视为一系列平行光束，每个光束都穿过大气层。 每条路径将略有不同，每条路径将在略有不同的地方到达望远镜探测器。 结果是图像模糊，并且由于细胞被风吹动，模糊的性质每秒都会改变很多次。 你可能已经注意到这种效果是从地球上看到的恒星的 “闪烁”。 光束足够弯曲，有一部分时间它们会到达你的眼睛，有些时候会错过光束，从而使恒星的亮度看起来有所不同。 但是，在太空中，恒星的光线是稳定的。
天文学家在世界上搜寻大气模糊或湍流量尽可能少的地方。 事实证明，最好的地点位于沿海山脉和海中孤立的火山峰上。 在接触陆地之前已经在水面上长距离流过的空气特别稳定。
图像的分辨率以天空角度为单位进行测量，通常以弧秒为单位。 一弧秒等于 1/3600 度，一个完整的圆圈有 360 度。 所以我们说的是天空中的微小角度。 为了让您了解到底有多小，我们可以注意到，从 5 千米的距离看，1 弧秒是四分之一的大小。 使用传统技术从地面获得的最佳图像揭示了小至十分之一弧秒的细节。 这个图像大小非常好。 发射哈勃太空望远镜的主要原因之一是逃离地球大气层并获得更清晰的图像。
但是，由于我们无法将所有望远镜都送入太空，天文学家们已经设计出一种叫做自适应光学的技术，它可以在自己的模糊游戏中击败地球的大气层。 这种技术（使用我们目前的技术在光谱的红外区域最为有效）利用了放置在望远镜光束中的小型柔性反射镜。 传感器测量大气层对图像的失真程度，每秒钟多达500次，它会向柔性反射镜发送指令，说明如何改变形状，以补偿大气产生的失真。 因此，光线在探测器上恢复了几乎完美的清晰焦点。 该图\(\PageIndex{7}\)显示了这种技术的有效性。 借助自适应光学器件，地面望远镜可以在光谱的红外区域实现0.1弧秒或更高的分辨率。 这个令人印象深刻的数字相当于哈勃太空望远镜在光谱的可见光区域达到的分辨率。
天文学家如何真正使用望远镜
在流行的观点（以及一些糟糕的电影）中，天文学家大部分夜晚都在寒冷的天文台里通过望远镜凝视，但这在今天不是很准确。 大多数天文学家不住在天文台，而是住在他们工作的大学或实验室附近。 天文学家每年可能只花一周左右的时间在望远镜上观测，其余时间测量或分析从大型项目合作和专门调查中获得的数据。 许多天文学家使用射电望远镜进行太空实验，这种实验在白天同样有效。 还有一些人使用超级计算机研究纯粹的理论问题，从来没有在任何类型的望远镜上观察。
即使天文学家用大型望远镜观测，他们也很少窥视它们。 电子探测器会永久记录数据，以便日后进行详细分析。 在一些天文台，可以远程进行观测，天文学家坐在距离望远镜数千英里的计算机上。
使用大型望远镜的时间非常宝贵，天文台主任收到的望远镜时间请求通常比一年中能够容纳的要多得多。 因此，天文学家必须写出令人信服的提案，解释他们想如何使用望远镜以及为什么他们的观测对天文学的进步很重要。 然后要求一个由天文学家组成的委员会对提案进行评判和排名，时间只分配给那些最有价值的人。 即使你的提案是收视率很高的提案之一，你也可能需要等待好几个月才能轮到你。 如果在你被分配的夜晚天空多云，那么你可能要过一年多才能获得另一次机会。
一些年长的天文学家还记得独自在天文台穹顶里度过漫长而寒冷的夜晚，只有录音机或通宵广播电台的音乐供陪伴。 星星在天文台穹顶的开阔缝隙中一小时又一小时地闪耀着灿烂的光芒令人难忘。 随着黎明的第一道苍白的光芒宣布12小时的观测环节结束，这也让人松了一口气。 如今，天文学要容易得多，观测者团队经常在温暖的房间里用电脑一起工作。 但是，那些更怀旧的人可能会争辩说，有些爱情故事也已经消失了。
摘要
自1990年以来，制造和支持轻质反射镜的新技术促成了许多大型望远镜的建造。 天文观测站的地点必须经过精心选择，以获得晴朗的天气、黑暗的天空、低水蒸气和极佳的大气视野（低大气湍流）。 可见光或红外望远镜的分辨率会因地球大气中的湍流而降低。 但是，自适应光学技术可以对这种湍流进行实时校正，并生成精美细致的图像。
词汇表
- 自适应光学
- 与望远镜一起使用的系统，可以补偿大气引入的图像中的失真，从而获得更清晰的图像
- 决议
- 图像中的细节；具体而言，可以区分的最小角度（或线性）特征
- 看到
- 地球大气层不稳定，模糊了望远镜图像；良好的视野意味着大气层是稳定的