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2009国际天文年推荐科普节目:以镜观天400年

发布时间:2016-07-07 发布来源:

以镜观天400年
 
 
 
 
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   2009年4月3号北京航空航天大学图书馆门前,这里多了8架漂亮的小型天文望远镜,今天他们慷慨地把望远镜架在校园中,免费让更多的同学、老师体验望远 镜带给人们的惊喜。筒下终于看清了月亮上的环形山,甚至看到了像草帽一样的土星之后,人们的喜悦之情溢于言表。不仅在中国,从4月2号到5号,持续四天四 夜,全世界130个国家都在举行大型的天文活动,预计全球至少有100万人参与其中。这项活动的名字叫:“天文学100小时”。这是全世界庆祝2009国 际天文年的一个基础活动之一。
   2007年12月20日,联合国通过了将2009年定为国际天文年的决议。之所以选择2009年,是因为距离伽利略首次使用望远镜进行天文观测,时间过去了整整400年。
   1609年,意大利物理学家伽利略听说,一年前荷兰人发明了一种奇妙的“光管”能够把远处物体放大。他经过研究,独立制成一架口径4.4厘米,长1.2 米,放大率32倍的望远镜。当他把望远镜指向天空时,很快就发现月亮并不是亚里士多德所说的那样完美,而是有山有谷,木星有4个围绕着它运转的卫星,而不 是地心说主张的那样,所有天体都围绕地球运行。伽利略又用望远镜观测了金星,发现金星是由盈亏现象的,而这个盈亏现象是符合哥白尼学说的。伽利略又用望远 镜对向银河,银河是天上一条发射出有白色光芒的一条光带,这是什么不知道。 伽利略用望远镜看到了这个银河是有很多很多星星组成,实际上通过伽利略的观测,已经表明了这些恒星是组成了一个扁平的系统,伽利略用望远镜做了观测,就得 出了那么多成就,以后大家沿着伽利略的道路,用望远镜对天文进行研究,400年来取得了辉煌的成就。
   每当夜幕降临,天空布满闪烁的星星,地球上任何一个角落的人群,都可以翘首望天。远古时代,虽然人类对宇宙的规律一无所知,却不能抑制对美丽星空的遐想。比如古印度人想象,我们的世界是由四只大象支撑的,大象站在巨龟的背上,漂游在由巨蟒环绕的海洋上。
在古希腊,托勒密在前人工作的基础上,提出了完整的地心说,在他的体系里地球是宇宙的中心。
   1500年后,波兰天文学家哥白尼勇敢地向教会支持的“地心说”提出挑战,将太阳放在宇宙系统的中心,揭开了自然科学革命的序幕。此后的一百多年,经过第 谷,开普勒,牛顿等人的努力,日心说不断得到证明,而最终天文科学的进展终于改变了全人类的宇宙观。很著名的科学家,为了这次而牺牲生命,像布鲁诺,包括 哥白尼他的学说都不能在他的学说都不能在他生前发表。像伽利略为了维护哥白尼的学说送到监狱里头去。所以这个一场,我说在自然科学当中,还没有一个科学像 天文学这样引发了这么深刻的、这么激烈的斗争。日心说的胜利是关于人在宇宙中地位的第一次认识上的飞跃, 人类所生存的地球并不是宇宙的中心。随着天文学的发展,上个世纪初人类进一步认识到, 太阳所在的银河系也不是宇宙的中心,上个世纪中叶宇宙微波背景辐射的发现, 更证明了宇宙是根本没有中心的最平等的世界,人在宇宙中没有优越的地位。从而激发了人类去寻找别的星球上,是否有生命和智慧,并已经在太阳系外找到了 200多个行星系统,为寻找地外生命和智慧迈出了坚实的第一步。当然这些成就的取得正是通过望远镜观测而得到的。
   中国人接触望远镜的时间非常早,在伽利略用望远镜观天27年后,1626年,著名耶稣会传教士,德国人汤若望在中国学者李祖白的协助下撰写了《远镜说》。 这本书对伽利略望远镜的制作原理 、功能、 结构 、使用方法都做了详尽的说明,这也是中国出版的最早的一部介绍西方光学理论和望远镜技术的启蒙著作。
   如果把人眼比喻成一架望远镜,瞳孔就是它精巧的镜片,只是这块镜片的口径只有6毫米,因为天文望远镜的口径越大,收集到的光就越多,就能探测到越远越暗的 天体。同时,一架望远镜的口径越大,分辨细节的本领也就越高,这对天文观测来说,同样至关重要,因此制造更大的望远镜就成了一代又一代天文学家的永恒追 求。1656年热衷于研磨透镜的荷兰人惠更斯发现,土星是一个有着又薄又平光环的行星,而法国天文学家卡西尼在1675年发现并确认了土星光环中有个缝, 这个环缝在今天以他的名字命名为卡西尼环缝。
   英国科学家牛顿使天文学发生了一场革命,他发现了万有引力定律和光的色散,发明了镜筒短、无色差,后来成为主流的反射式望远镜。100年以后,威廉?赫歇 尔用自制的望远镜发现了天王星,他还建成了当时世界上最大的反射望远镜,首次通过观测证实了银河系的恒星呈扁平状分布。 后来在爱尔兰,罗斯伯爵又建了一 个更大的望远镜,1845年它被建在比尔城堡的两面石墙之间,正是这架望远镜发现了第一个不是模糊一团,而是有结构的星云,这是罗斯画的这个漩涡星云草 图,与现代望远镜拍摄的照片的比较。
   19世纪末20世纪初,工程技术的进步已经使人们能够建造出口径1米以上、外表和今天的望远镜差不多的,功能相当完备的大型光学望远镜了。而与此同时,物 理学此时正在经历划时代的变革,牛顿经典力学受到了来自天体运动实际观测的怀疑。可是在184几年的时候,人们发现天文星的运动不完全符合牛顿力学,有的 天文学家就认为,很可能是在天王星的外面有一颗未知的行星在吸引它,使得它偏离了牛顿力学的结果。然后根据这个偏离量按照牛顿力学,算出了这颗行星的位 置。这个人就是法国天文学家勒威耶。他把这个位置告诉巴黎天文台,巴黎天文台当天晚上就观测到这颗星的位置,这就是海王星。这件事在全世界引起了轰动。大 家觉得牛顿力学真了不起。它能够把未知的天体的位置都找出来,牛顿力学可以说到了颠覆,发展到了最高峰的地方,就是这一位发现海王星的勒威耶,他接着又想 我能不能够在水星里面再发现一粒更靠近太阳的行星呢?他就研究水星的运动,果然发现水星运动也有偏离。
   1859年,法国天文学家勒威耶发现水星近日点进动的观测值,比根据牛顿定律算得的理论值,每世纪快3、40秒,并猜测这可能是一个比水星更靠近太阳的水 内行星吸引所致。可是经过多年的辛勤搜索,这颗猜测中的行星始终毫无踪影。后来勒威耶去世了。这颗行星也一直没有找到。这是什么原因?实际上这颗行星是不 存在的,这个是真正的牛顿力学不够精确的原因。
   1915年,爱因斯坦发表了著名的广义相对论,至此通过广义相对论,才成功地解释了水星的奇怪轨迹问题,而计算出的差值为每世纪快43秒03,这与观测值 十分接近。这也是天文观测对爱因斯坦理论的最有力的验证之一。而有了爱因斯坦的理论,从此人类对天体运动的认识和时空观发生了根本性的转变。在19世纪, 天文学还得到了两个革命性的工具,一个是光谱学,通过分析天体的光谱人们就可以知道它的物理性质、化学组成和运动速度。另一个是照相术,它比目测更具积累 性和客观性。1924年,埃德温?哈勃正是借助这两种工具,用威尔逊山的2.5米望远镜发现,仙女座星云的距离其实远远超出了银河系的尺度。人们终于知道 银河系外“天外有天” 。
   1929年,哈勃又发现许多星系的光谱线都明显向红端移动,说明这些星系都在以极大速度离我们而去,而且星系离我们越远,退行速度越快,这意味着宇宙正在 膨胀。哈勃的这一重要发现,为现代宇宙学奠定了观测基础。哈勃的成功激起了人们建造更大望远镜的决心,1948年口径5米,反射镜本身重达14.5吨的海 尔望远镜,在美国问世。但这架望远镜在落成之后的30年内,人们建造光学望远镜的创造力仿佛停止了。这个望远镜为什么突不破五米、六米,口径很难做大的原 因,主要是光学望远镜的主要的元件是主镜,还有它的光学系统,因为这个口径大了,主镜就要很大,住镜大了的话它就要受到温度影响的热变形,还有它观测的时 候,在不同的天气,跟踪的时候它的重力变形就会很大,这样就不能保证望远镜的精度,光学的精度,这个像质就会不好,所以在那个年代,就是五米、六米级的望 远镜最大就是这样了。
   二十世纪中期,光学望远镜发展的这条道路遇阻了,但另一个偶然的发现,却为人们建造望远镜又开辟了一条全新的思路。1932年,美国贝尔电话公司的卡尔? 央斯基为了要找出无线电长途电话的干扰来源,无意中发现了来自银河系中心的无线电波,天文学家对宇宙无线电波产生了兴趣,可惜不久后爆发了第二次世界大 战。科学研究只能暂停下来。第二次世界大战是人类的劫难,但是战争也促进了军事技术的革新,从而带动了科学的进步。比如英国人为了预警德国飞机的袭击发明 了雷达。1942年2月,他们发现雷达信号会受到来自太阳黑子和耀斑的干扰。这样,战后雷达变身为射电望远镜,给天文望远镜的发展带来了第二次飞跃。
   在过去的几百年中,天文观测仍然脱离不了“可见光”的范围。用可见光的波长来观测宇宙,就如同被关在黑屋子里的人从门缝看房子外面的一切。试想,只从这么 一点小缝所看到的光线,来推测外面的鸟语花香和万紫千红,真是难上加难。事实上,除了从门缝透入的一点光之外,小屋外面的世界,仍存在着各种射线如γ射 线、X射线、紫外线、红外线等等,还有无线电波如长波、短波及超短波等。仅无线电可以观测的有效波长就是可见光的100万倍。射电望远镜的发明,犹如给这 间黑屋开了一扇大窗子。二战后射电天文学成为天文学发展中最辉煌的一章。然后射电天文学就是,从天文家度来讲,甚至从人们认知宇宙学角度来讲,它做了很多 光学没有办法做的贡献,就像我们讲的这几大发现,类星体还有脉冲星,还有宇宙微波背景辐射,星际分子这样的一个,20世纪号称四大天文发现,都是四大天文 发现都是室内天文学直接或间接来做的这样的贡献。不过即便有了射电望远镜,有些波长的射线也难以捕捉,比如由于地球大气的吸收,宇宙中大部分短波长的紫外 线及X射线无法到达地面。为了要观测它们,唯一的办法是到大气层外去。
   二战期间德国人发明的战争武器v2火箭,在工程技术上实现了宇航先驱的技术设想,成为几十年后各类空间望远镜发展的技术基础。而当望远镜来到空间时代,正 如一个关在黑屋子的人,终于打开了大门走出屋外去体察大自然的一切,航天技术给望远镜带来了第三次也是最彻底的一次飞跃。第一个遨游于宇宙空间的望远镜是 1970年12月发射的 “自由号”X射线望远镜,随着它的发射升空,天空中数百个X射线源被发现。今天我们已经知道,这些发射X射线的天体中,就包含着宇宙中最神秘的天体:“黑 洞”。在自由号卫星上天之前,我们并不知道在太空当中有哪些天体会产生X射线也没有期待有哪些天体可以产生X射线。那么五葫芦上天之后,首次像我们描绘 了,宇宙在X射线波段的,一个前所未有的一个图象。发现了大批的新的天体能够发出X射线,这是五葫芦上天之前,天文学家和物理学家都没有想到。以前想到的 能够产生X信号的源应该是恒星,像太阳这样的恒星。但是五葫芦上天之后发现主要所看到的X射线源都不是恒星,而恒星是在当中比较弱的。而这些X射线源主要 是一些非常奇怪的一些天体。比如说黑洞,比如说中子星,这样非常奇怪的天体。
   1990年4月25日,由美国宇航局主持建造的巨型空间天文台——哈勃空间望远镜,由航天飞机运载升空。这是一座空间望远镜发展的里程碑。这座三层楼高, 口径2.4米,工作波长从紫外到近红外的强大望远镜,耗资30亿美元,是目前所有天文观测项目中规模最大、投资最多、最受公众注目的一项。哈勃太空望远镜 服役19年以来,不仅取得了丰硕的科学研究成果,还以它拍摄的众多令人称奇的宇宙照片,激发了无数人对探索宇宙未知的渴望。在哈勃太空望远镜的身后,一批 新的空间望远镜不断飞翔于太空:比如美国宇航局的、ChandraX射线望远镜、Spitzer红外望远镜,Comptonγ射线望远镜以及欧空局的牛顿 X射线望远镜-等等。
  脱离开地球大气层的影响之后,进入了太空,我们就可以对整个电磁波波段进行观测。这个观测包括从整个射电波段一直到伽玛射线波段的全波 段的观测。都可以进行。那么这是空间天文观测的主要优势,就是可以看到非常的全。那么第二个主要的优势的话,就是脱离开地球大气的扰动,可以看得非常的清 楚。举例来讲,哈勃望远镜它的可以看到清楚的程度比地面上最好的望远镜要好十倍左右,及因此很天体它都可以分辨出来。
   最近二十年来,地面光学望远镜终于打破了镜面制造瓶颈,突然间疾速发展起来,从九十年代到现在,十几年当中,全世界制成了十三架口径八米到十米的地面光学 望远镜,光学望远镜家族又空前繁荣起来。那么是谁打破了瓶颈?这些巨大的镜面是如何突破极限制造成功的呢?要制造更大的天文望远镜,关键在于设计理念和相 关技术两方面的革新20 世纪70 年代以来,人们开始设想,既然做大镜子如此困难,那么能不能做成许多小的,再把它们结合成一个大的呢?依靠计算机技术的迅速发展,梦想终于变成现实。上世 纪80年代,“拼接镜面” 技术终于诞生,地面光学望远镜的建造又蓬勃发展起来。目前最先进的美国凯克光学望远镜和欧洲南方天文台的VLT望远镜,利用了主动光学和自适应光学技术, 在望远镜镜面背后,一排排传感器可以使镜面产生相应形变,来补偿大气扰动的影响,使望远镜的分辨率已经达到和空间望远镜相媲美的水平。
   2008年10月,一架白马王子般俊秀健美的大型光学望远镜,在国家天文台河北兴隆观测站正式落成。它的名字叫做拉莫斯特,这是当代世界上光谱观测量最大 的望远镜,也是中国第一台进入国际研究前沿的大型望远镜。这座耗资3亿元,历时12年建成的大望远镜凝聚了两代中国天文学家的心血,拥有大量自主创新技 术。这是一架特殊的会主动变化形状的反射望远镜,它的两块主镜一块反射镜由24块对角线长1.1米的六角形子镜拼接,而另一块球面镜甚至是由37块子镜拼 接而成的。
拉莫斯特,这个是一个光学精密机械和计算机控制一体化非常复杂的一个光学系统,然后它的电机就有将近10000个,传感器就有将近1000个。 在这个望远镜里面,创造性的应用主动光学,产生了按照传统不能实现的光学系统。同时,在这个望远镜上,配备了4000根光纤,它最多的时候可以观测到,可 以同时观测4000个天体的光谱。作为比较,国际上现在配备光纤最多能够同时观测天体光谱的只有660根光纤,它是世界上口径最大的大视场望远镜。
   今天的望远镜建设正在呈现加速发展的势头,不仅光学望远镜在使用镜面拼接技术后焕发了活力,射电望远镜也通过干涉技术,以联合观测的方式大大提高了射电望 远镜的分辨率。像望远镜并不是说它放大倍数越大,它就能看的更清楚,它有一个理论上的极限,就是衍射极限,这个是波长除以一个口径。而早期的望远镜分辨率 非常差,甚至到几十度就这个水平,所以我们很难清楚,看到这个辐射到底是哪个星星来的,不知道,所以后来---就是用了一个口径综合的方法,就是用两个甚 至更多望远镜,分开一定距离这样的话来形成一个像分开距离这么大(口径)的一个望远镜的一个分辨率。这个技术的创始人M.Ryle,在70年代得了诺贝尔 物理学奖,今天这是分布于全球11个国家的18架射电望远镜组成的甚长基线干涉网,中国的两架口径25米大型射电望远镜是其中的重要组成部分,它们分别是 位于上海和新疆乌鲁木齐,目前由这两架望远镜牵头,加上北京和昆明的两架望远镜它们又组成了中国自己的甚长基线干涉网。在探月工程中正是这些分布于中国各 地的射电望远镜,联手对环绕月球的嫦娥卫星进行了高精度的测轨观测。
   20世纪是天文学突飞猛进的一个世纪,中国天文学从零开始, 经历了一个不寻常的一百年。1873年,法国天主教会在上海建立徐家汇天文台,1900年建立佘山天文台,新中国成立后,中国科学院接管了原有的各天文机 构,1958年开始,在北京建立了以天体物理研究为主的综合性天文台——北京天文台。1975年起,把昆明凤凰山观测站扩建成大型综合性的云南天文台。 1958年在南京建立了南京天文仪器厂。我国老一代天文学家、工程专家、在艰苦条件下自力更生研制了一批天文观测设备,有些望远镜直到今天,仍然是我们国 家天文观测的主要设备。比如像2.16米光学望远镜。1.56米望远镜,1.26米红外望远镜,米波综合孔径设点望远镜,太阳磁场望远镜,光电等高仪,激 光人卫测距系统等等。这些望远镜,是在艰苦的年代研制的。参与研制的科技人员,工人,绝大部分都没有出过国,都没有看到多国外的大望远镜。在那样的艰苦的 条件下,就是凭着为了国家,为了科学的精神,把这些望远镜研制出来了。这是应该让我们大家永远记住的。进入21世纪,中国天文发展进入了飞速发展的黄金时 代,LAMOST的建成,是中国望远镜制造史上一件里程碑的事件。中国掌握了当代望远镜制造的最先进技术,并且有所创新。
   2007年中国另一大型天文望远镜的立项建造引起了社会的广泛关注。目前世界上最大的单口径射电望远镜是美国的阿雷西博305米望远镜,而中国准备利用我 国西南地区得天独厚的喀斯特地貌,在贵州省黔南州平塘县建造口径500米的球面射电望远镜FAST,2014年建成后,它将成为世界上最大、灵敏度最高、 技术最先进的单口径射电望远镜。在空间天文方面,中国的十一五空间科学规划里面明确地指出:中国要发射第一个空间天文望远镜:硬X射线空间天文望远镜。它 的主要的科学任务就是发现和研究宇宙当中的黑洞,包括我们银河系里面的黑洞,和银河系以外的超大质量的黑洞,作为中国的第一颗空间天文卫星,它将肩负着开 拓我国空间天文领域的重要的任务。
现在国家正在发展下代的光学望远镜,这可能从十米跳到三十米到四十米。这样的望远镜实际上全世界都在走国际合作道路,因为不是哪一个国家独立可 以做成的。资金,包括技术力量,包括人力,甚至包括望远镜出来的资料都不是一个国家能够分享的,都能把它完全消化掉。所以全世界都在大联合,搞大设备。
   放眼世界今天的大型天文观测设备,其造价之昂贵、技术之先进、对台址选择之苛刻,已经不是凭借一国之力所能完成的。现在全世界正在积极筹划的几个令人瞩目 的望远镜建造项目几乎无一不是国际大联合、大合作的结果。比如美国宇航局和欧空局合作研制的詹姆斯韦伯太空望远镜,计划于2013年发射升空,它将接替即 将退休的哈勃太空望远镜,成为人类探索宇宙的另一强大工具。这个新一代太空光学望远镜口径达到6.5米,观测面积是哈勃的5倍,观测性能将远超哈勃望远 镜。
在智利阿塔卡马沙漠海拔5000米的地方,各国科学家正在联合兴建由66台射电望射镜组成的全球最大的毫米波-亚毫米波射电望远镜阵列(ALMA)。 2012年建成后将成为世界上最大的地面天文台。
   400年来望远镜的巨大发展,让我们比前人对宇宙了解得更多了,但是一些大问题还在困扰着我们:比如构成日月星辰的普通物质只占全宇宙质量的4%,其余绝 大部分的暗物质和暗能量的本质是什么?宇宙的起源、演化和未来的命运会怎样?人类是不是浩淼的宇宙间唯一的智慧生命呢?推进人类揭开宇宙奥秘的重任,永远 是望远镜建设者的无限光荣和伟大梦想,我们无法预言这些望远镜们又将带来哪些震撼人心的新发现,但是我们可以肯定,它们必定会把人类文明推向更加辉煌的新 境界。