望遠鏡的演進

 

 

數千年來,人類只能以肉眼觀看宇宙,自從發明望遠鏡,我們對天空的看法也隨著觀測的結果而有了永遠的改變。

望遠鏡——看得更遠

 

隨著望遠鏡的發明,開拓了天文科學的領域,這項儀器使得遙遠的物體看起來更近、更大、更亮。

1609年,義大利人伽利略首先將其應用於天空。

伽利略利用透鏡聚光原理造了望遠鏡。六十年後,英國科學家牛頓以反射面鏡取代易生成色差的透鏡式望遠鏡。之後,許多偉大的天文學家又精心研究、改進此二項設計。

 

望遠鏡將光聚焦於一點,並產生放大的影像。

透鏡:

光線穿過玻璃時會折射彎曲。伽利略的望遠鏡設計就是在狹長的管內使用兩片透鏡;一個大透鏡會將光折射至目鏡。

 

望遠鏡將光聚焦於一點,產生放大的影像效果。

反射鏡:

凹(向內彎曲的)面鏡將光反射於一點上。牛頓的望遠鏡設計則是使用另一小片平面反射鏡將光改變聚集方向至鏡筒側的目鏡。

 

伽利略(1564-1642)

現代天文學之父

一個改革派的數學家及天文學家,伽利略是第一個用望遠鏡去研究天空的人。它看到了太陽黑子、月球上的群山陰影、木星較大八個衛星中的四個以及金星的面像。

 

牛頓(1642-1727)

反射式望遠鏡的發明者

世界知名的英國科學家和數學家。牛頓有許多重力和光的基礎科學發現,他製作了第一架反射式望遠鏡,清楚地觀看出木星的八個較大衛星。

 

隨著伽利略望遠鏡的發明,天文知識有了爆炸性的增加,歐洲各地的天文學家們研究天空以更瞭解月球和我們的太陽系。

伽利略發現且畫下月球表面的群山和火山口。

 

伽利略是第一位觀測月球上群山陰影以及金星面像的天文學家,他也看到了太陽黑子,並發現了最靠近木星的八個較大衛星中的四個。

 

1611年,德國天文學家史基納解決了研究太陽時,由於太陽光太強,會傷害眼睛,不能以望遠鏡直視的問題。史基納將目鏡對準在一大張紙上,並檢視紙上形成的影像。他仔細研究閃焰和他認為是微小行星的太陽黑子。中國天文學家早在西元前五世紀就已正確地辨識了太陽黑子,而西方天文學家仍落後好幾世紀。

 

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當望遠鏡之目鏡聚集的光愈多,影像就會愈亮。要獲取更多的光,就要穩定地增加望遠鏡的鏡面直徑。這需要更大且更好的透鏡與反射面鏡。

1682

土星的光環首次被描繪出來

望遠鏡的鏡筒愈長就愈容易受風的影響。荷蘭天文學家海更斯解決了這個問題。他將鏡筒完全省去,而將透鏡懸吊於精巧的框架中。他用這個望遠鏡描繪出第一張土星光環,並修正了早期認為土星是三個行星而不是一個的錯誤觀念。

1721

改良後的望遠鏡,有了更好的清晰度揭示出土星光環中的帶隙

 

在英國,反射式望遠鏡比折射式透鏡望遠鏡更受喜愛,因為前者較小、較輕,也較易於使用。海德利就利用反射式望遠鏡來觀測太陽系,並發現土星光環中有一帶隙。

 

1782

繪製銀河天體圖

 

赫瑟爾製造了一座七公尺長,具有30公分直徑金屬鏡面的反射式望遠鏡。他用此望遠鏡觀測橫伸於夜空的閃爍星群所形成的濃厚環帶,創製了一張詳細的銀河天體圖。現在我們知道銀河系是我們自己所在的星系,其光芒源自其中數十億的星球與星雲。

 

1826   追蹤星體

德國透鏡製照者弗朗哈佛建造了一座具有直徑25公分的透鏡及精巧時控台座的望遠鏡。這項時控裝置可追蹤穿越天空的星體,使得天文學家能繪製出天空星群分布的天體圖,清楚顯示形成銀河系的串列星群。

 

1845

首度描繪螺旋狀星雲

 

在愛爾蘭的巴森鎮龐然大物區有一座直徑1.8公尺、重達四噸,由磨光金屬製成的巨大反射鏡。愛爾蘭天文學家威廉巴森茲首先用它解釋了螺旋狀星雲的形成,而我們現在知道螺旋狀星雲是銀河系外的星雲。

 

1897  首度證實銀河系是一種螺旋狀星系

設在美國芝加哥的葉凱士,目前仍是全世界最大的透鏡折射式望遠鏡,其透鏡直徑長達1公尺,它對測量長期的星球運動相當有用。經過多年的觀測,天文學家確證我們所在的銀河系是螺旋星系。

 

透鏡的終結

 

透鏡

由於透鏡必須讓光穿透產生折射,所以它僅能被支撐於鏡面邊緣。大透鏡會因本身的重量而凹陷,導致影像扭曲的現象。

 

反射鏡

反射鏡利用磨光的表面反射光線,整個鏡面背面都可支撐,因此不致像透鏡般因本身重量而產生凹陷的現象。

 

1918   遙遠的星系

哈柏是20世紀天文學的先驅之一,他以具有直徑2.5公尺反射鏡的胡克耳望遠鏡做了許多研究,其精確度使他能指出銀河中看似微弱的星雲其實是位在距離我們有幾百萬光年的其他星系中。他的研究有助於天文學家了解宇宙的浩瀚。

 

1947年

天文的尺度感

 

加州巴洛馬山的赫爾望遠鏡有一個五公尺直徑的反射鏡,是全世界最大的反射鏡之一,對於可見宇宙之最外邊緣的觀測相當有價值。天文學家可利用它對遙遠的星系,如仙女座星系,做非常仔細的觀測。他們測量出仙女座星系距離我們二千萬兆公里,是先前所知距離的兩倍。

 

新一代的望遠鏡──電腦的來臨

為了找尋效能更佳的望遠鏡,當今的天文學家將電腦應用於望遠鏡所有的設計、架構與操作的各個階段,結果產生了許多不同的模式,適用於許多不同的任務。

 

大反射鏡的限制

1947年,赫爾望遠鏡首度問世時,很難想像還會有比它效能更好的望遠鏡了。天文學家認為五公尺直鏡的反射鏡將是無可匹敵的。

大的反射鏡不但價格昂貴,製作又耗時,且會因自身的重量而產生凹陷變形。使用電腦不僅可克服這個問題,對較小,較便宜的反射鏡亦能增強觀測能力。

 

多面反射鏡,組成單一影像

藉由電腦的輔助,許多來自反射鏡的影像可結合成單一影像。1977年設於亞歷桑那州霍布金斯山的第一座多反面鏡望遠鏡 (MMT)首次運作。該望遠鏡,其一排六片1.8公尺直徑的反射鏡可聚集到相當4.5公尺直徑單片反射鏡所聚集之光線。

 

拼嵌式望遠鏡

美國夏威夷的凱克望遠鏡不是單一片的反射鏡,而是由36片反射鏡拼嵌成一座擁有10公尺直徑功能的反射鏡望遠鏡。拼嵌式望遠鏡成本低廉,修補時易移動。凱克望遠鏡所觀測的物體亮度比赫爾望遠鏡所能見到強四倍。

 

強化的影像,不同的見解(觀念)

 

電子儀器與電腦的問世對天文學產生了深遠的影響。電子感應器可感測到最微弱的光學訊號,或偵測許多不同種類的輻射。經過電腦處理後,訊號被整理與加強,這些經由電子儀器觀測到的訊號傳遞了清晰的資訊。數位處理將極細微的差異放大,顯現出原來被地球大氣掩藏,以致肉眼看不到的東西。

 

經由電腦強化處理後的影像顯示出星系中心噴出的氫氣噴流。

 

星球訊號

 

觀看的方法...

...相同的物體,不同的視覺

 

○將手伸入盒內,由兩台監視器銀幕上可以很清楚地看到你的手在盒堛滷“

你所看到的,是你手的"兩種影像"

○盒中之一的相機就如同你的眼睛,它利用可見光,而無法在黑暗中運作。

○另一個相機可偵測紅外輻射(源自你手上的熱輻射)。它可在黑暗中運作,察覺肉眼看不到的事物。

 

今日的科技使天文學家能探測太空中,在範圍極小之可見光波段以外的訊號,使我們的知識無限地擴展。

哈柏太空望遠鏡

哈柏太空望遠鏡是有始以來最具威力的望遠鏡,它讓我們觀看宇宙的視野起了革命性的改變。在前述所提及的一些問題顧慮都藉此獲得了解決之後,哈柏太空望遠鏡已成為今日最具威力的望遠鏡之一。

 

哈柏太空望遠鏡已看到遙遠的宇宙,並可見到宇宙初期的一些星系

在試驗哈柏太空望遠鏡時,美國國家太空總署將其瞄準在其他望遠鏡不曾發現過什麼,且被認定是一片空白的區域。如此遙遠的地方的畫面,在時間上則相當於是地球形成前所產生的。

 

這個影像展現出早期形成的部份星系,它看起來和我們熟悉的星系有極大的不同,此時對於星系演進的理論可能也必須修正了。