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从伽利略到哈勃——望远镜发展四百年

6月5日下午2:00,在土木工程学院报告厅,陈建生院士简要介绍了天文望远镜的发展,报告围绕天文望远镜在最近三十年来的八项技术革新,分别简要介绍。

1. 光学望远镜尺寸的突破

衡量光学望远镜分辨率的指标为可分辨角大小θ,它的计算方法为:

公式1

其中θ-可分辨角大小;λ为工作波长;D-为望远镜口径大小。

以可见光中心波长 λ为5000艾;要是可分辨角达到0.1角秒,需要直径为1m。

传统大口径光学望远镜制作有如下的困难:

(1)变形和镜面变形、机械弯沉无法控制。

(2)厚度需要达到口径的1/10,难以保证质量。

由于Jerry Nelson先生在拼接镜面技术、Raymond Wilson先生在主动光学技术和James Angel先生在薄镜面技术上的卓越贡献[i],人们突破了Paloma天文台Hale望远镜5.5m口径的限制,制作了口径达到三十米的光学望远镜。

2. 射电望远镜

射电望远镜由于波长长,对于制作精度的要求不高,大口径的射电望远镜容易制造,根据制造误差为工作波长1/20的原则,射电望远镜与光学的对比如表格 1:

类型

工作波长

容差

射电

5cm

2.5mm

光学

5000艾

250艾

                                                      表格 1 制造容差对比

可见制作难度上射电望远镜并不高,但是要想达到相同的角分辨率,需要的口径大得多,如表格 2所示:

对比项

光学

射电

λ

5×10-7m

5×10-2m

D

1m

100公里

θ

0.1

0.1

                                                          表格 2 口径对比

科学家Martin Ryle经过研究,提出了干涉式天文测量法(interferometric astronomical measurements)[ii],研究形成了阵列式天文望远镜。例如VLA(Very Large Array)[iii],由27盏25米天线组成的射电望远镜群列和VLBI(Very Long Baseline Interferometry )[iv]

3. 从地面到天空

为了能够克服大气吸收、抖动和天光背景的影响,科学家采取了如下措施:

1. 寻找好台址,诸如夏威夷群岛和智利北部。

2. 使用自适应光学方法。使用Deformable Mirror对于光进行相位补偿,然后再观察,如图 1所示:

Adaptive Optics Scheme

1 自适应光学系统示意图[v]

3. 从地面到天空,包括哈勃望远镜、微波望远镜[vi]

4. 提高观测质量

使用CCD(charged-couple device)取代照相底片,并且研究大尺寸的CCD感光阵列,提高分析精确度

5. 分析器的进步

例如LAMOST(大天区面积多目标光纤光谱望远镜),使用4000根光纤可以同时监测四千个天体。

6. 从可见光到全电磁波段

例如Riccardo Giacconi先生研制的X射线望远镜UhuruChandra X-ray Observatory。

7. 超越电磁波

例如小柴昌俊先生研究的中微子观测器;空间的激光干涉天线(Laser Interferometer Space Antenna)[vii],在地面研究引力波的LIGOLaser Interferometer Gravitational-Wave Observatory[viii]和天体物理学的实验设备LHC(Large Hadron Collider)[ix]

8. 望远镜与计算机

一个类似NEES计划的网络观测平台NVO(National Virtual Observatory)[x]和观测联盟International Virtual Observatory Alliance[xi]

[i]三位荣获2010年度Kavli天体物理学奖,Kavli奖颁奖通告

[ii] 与Hewish先生分获1974年诺贝尔物理学奖,维基百科对Martin Ryle先生的介绍

[iii] 归属于美国国家射电天文台,VLA的主页

[iv] http://en.wikipedia.org/wiki/Very_Long_Baseline_Interferometry

[v] http://cfao.ucolick.org/ao/how.php

[vi] 三位研究者荣获邵逸夫天文学奖,获奖通告

[vii] http://lisa.nasa.gov/

[viii] http://www.ligo.caltech.edu/

[ix] http://public.web.cern.ch/public/en/lhc/lhc-en.html

[x] http://www.us-vo.org/

[xi] http://www.ivoa.net/

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