2009年被聯(lián)合國定為國際天文年(International Year of Astronomy)，之所以選擇這一年,，是因為2009年是伽利略發(fā)明天文望遠鏡400周年,。400年來，天文學家,、物理學家還有各類工程師們對天文望遠鏡的不斷改進和創(chuàng)新,，使得天文學得以飛躍發(fā)展，從而讓人類能夠領略并驚嘆于宇宙的大美,！本文就來簡單講講望遠鏡這400年的歷史,。

早期的望遠鏡

現(xiàn)在公認的第一臺天文望遠鏡是由意大利天文學家伽利略于1609年發(fā)明的(有些英國人不認可，他們覺得第一臺天文望遠鏡是英國人發(fā)明的),，但第一臺望遠鏡要比這個早一年,。1608年，一位名叫Hans Lippershey的荷蘭眼鏡工匠把一塊凸透鏡和一塊凹透鏡對準了放在一起后發(fā)現(xiàn)遠方的物體變近變大了,，這便是有記錄可查的第一臺望遠鏡,。雖然這個原始模型的望遠鏡的放大倍率只有3倍，但這個發(fā)明迅速在歐洲流傳開來,。1609年,，在威尼斯的伽利略聽說了這件事后立即著手進行改進然后只用了一天就做出來一個放大倍率達到30的望遠鏡。他迫不及待地給議員們展示他的發(fā)明,，議員們看完后就給了伽利略在Padua大學的終身教習職位并把伽利略的工資漲了一倍(順便提一下Padua大學是全世界歷史最悠久的大學之一,，Padua大學的天文系是最早的天文學研究機構之一，對近現(xiàn)代科學的發(fā)展起了非常重要的作用),。

伽利略在給議員們展示他發(fā)明的天文望遠鏡

伽利略把他的望遠鏡指向了天空,，于是天文望遠鏡在這一刻誕生了。他成為了人類歷史上第一個看到木星的衛(wèi)星的人(木星的四顆明亮的衛(wèi)星因此也被稱為伽利略衛(wèi)星),、第一個看到土星光環(huán)的人,、第一個觀察到金星跟月亮一樣有盈虧的人、第一個看到月亮表面的環(huán)形山和山谷的人,、第一個通過觀察太陽黑子證明了太陽在自轉的人,、第一個發(fā)現(xiàn)銀河是由無數(shù)恒星組成的人、第一個,。,。。他的儀器也第一次被叫做'telescope',，并且后來專門把他這種折射望遠鏡叫做'伽利略望遠鏡',。據(jù)說伽利略親手做出的那一批天文望遠鏡中的其中一個經(jīng)由傳教士帶到中國后流落在廣州民間,。

由于不同波長的光在介質(zhì)中有著不同的折射率，折射望遠鏡不可避免的存在色差(chromatic aberration)的問題,。在17世紀,，人們想到的解決色差的辦法就是把焦距加長，當焦距足夠長的時候,，色差就變得可以忽略了,。卡西尼在1672年用焦距11米的望遠鏡發(fā)現(xiàn)了土星的第五顆衛(wèi)星Rhea,。對于折射望遠鏡來說,，焦距有多長鏡筒就必須要有多長。當時造出的最長鏡筒的折射望遠鏡的焦距達到45米,，因為鏡筒太長所以在觀測的時候需要吊車才能把它固定住,，而且由于材質(zhì)和工藝的問題稍微有一些晃動都會導致鏡筒折斷等事故。后來惠更斯等人拋棄了鏡筒制造出一個直徑20厘米焦距達64米的望遠鏡,，Adrien Auzout更是搞出了180米焦距的無鏡筒望遠鏡,，但這些怪物很難使用基本上等于無用。

紅綠藍的光線經(jīng)過透鏡后聚焦在不同的位置,，導致色差的出現(xiàn)

最長鏡筒的望遠鏡,，需要吊車幫助指向和固定

終于，牛頓出現(xiàn)了,！牛頓指出光線通過透鏡折射導致色差是無法避免的,，那我們就不要用折射了嘛，反射也可以啊,。于是，在1669年牛頓制造出第一臺鏡面(mirror)反射望遠鏡,，被稱為‘牛頓式望遠鏡’,。牛頓版的反射鏡用的是球面，后來改進為拋物面,，之后卡塞格林把第二塊反射鏡面由平面鏡改成了曲面鏡大大縮短了鏡筒而且并沒有犧牲焦距,。

牛頓式望遠鏡光路圖

牛頓式望遠鏡復制品

牛頓那個時代沒有鍍膜技術，反射鏡面都是用金屬制作,，受材料和工藝的限制發(fā)射式望遠鏡沒有得到更大的發(fā)展,。反而，由于消色差透鏡的發(fā)明,，折射望遠鏡開始越造越大,。1773年，第一臺用不同折射率材料制成的組合透鏡望遠鏡被制造出來,，色差問題被大大改進了,。

兩個不同材料的透鏡組合能減小色差使得不同顏色的光線聚焦在一起

近現(xiàn)代大型望遠鏡

折射望遠鏡需要鏡筒來固定鏡片,，當望遠鏡做得很大的時候，鏡片自身的重量導致鏡筒無法支撐和固定它,。于是大型折射望遠鏡在進入20世紀后就停止制造了,。投入實際使用的最大折射望遠鏡是芝加哥大學葉凱士(Yerkes)天文臺的40英寸(1.02米)望遠鏡。

歷史上不同時期制造出的最大的折射望遠鏡

而反射望遠鏡由于只需要一面來反射光線,，另一面可以跟支撐系統(tǒng)接觸,，并且得益于20世紀的真空鍍膜技術，大型反射望遠鏡代替了折射望遠鏡成為了天文臺的主力軍,，而且開始安放在山頂?shù)炔皇艹鞘泄馕廴镜牡貐^(qū),。例如1908年建成的1.5米海爾(Hale)望遠鏡和1917年建成的胡克(Hooker)望遠鏡都安置在威爾遜山天文臺(Mount Wilson Observatory)。1948年建造完成并安置在帕洛瑪山(Mount Palomar)的5米海爾(Hale)望遠鏡成為了當時世界上最大的望遠鏡,，直到1975年被蘇聯(lián)的6米望遠鏡BTA-6所超越(BTA-6由于諸多設計問題未能發(fā)揮太大作用),。

用單塊剛性玻璃制作望遠鏡主鏡面有一些技術性限制，直徑很難超過八米,。因此,，蜂巢式拼接鏡面成為了建造更大望遠鏡的既經(jīng)濟又可行的方法。1993年建成的凱克一號和1996年完成的凱克二號望遠鏡主鏡面直徑到達了10米,。進入21世紀后,，大型望遠鏡的制造實現(xiàn)了跨越式的發(fā)展，各種超大型望遠鏡紛紛被立項建造,。下圖對眾多已經(jīng)完成和規(guī)劃中的大型望遠鏡的大小做了對比,，請注意左下角的網(wǎng)球場和右下角的籃球場。

大型望遠鏡大小對比圖

望遠鏡的直徑越大分辨率就越高,，但分辨率還受限于一個我們?nèi)祟悰]法控制的因素,，那就是大氣。1980年代,，兩種新技術的誕生幫助地面天文觀測一定程度上克服了大氣擾動的影響,，那就是主動光學(active optics)和自適性光學(adaptive optics)。主動光學通過在主鏡面背后安裝推進器改變鏡面的形狀從而修正諸如風,、溫度以及機械裝置對望遠鏡帶來的影響,。而自適性光學則是通過分析入射光線的波前扭曲情況從而修正望遠鏡的輔鏡面來達到消除大氣擾動的目的。自適性光學系統(tǒng)運作的時候會選擇一顆恒星作為參考星,，或者干脆向天空打一束激光來人造一顆導星,。主動光學所修正的是1赫茲的低頻大幅度擾動，而自適性光學所修正的是100-1000赫茲的高頻小幅度擾動,。

安裝在鏡面背后的推進器

自適性光學系統(tǒng)射向天空的激光束

哈勃空間望遠鏡

談望遠鏡不能不談一下大名鼎鼎的哈勃空間望遠鏡(Hubble Space Telescope),，從民間到科學界，人們都不吝于任何美好的詞句來贊揚它,，比如

“哈勃望遠鏡是人類制造的最有用的科學儀器”

“人類歷史上最高產(chǎn)的科學設備”

“哈勃把遙遠的星系帶到了你的后院”

“哈勃拍攝的圖片讓人產(chǎn)生一種敬畏和奇跡感”

“它給世界帶來了一個充滿美妙的星系星云和行星的藝術畫展”

太空中的哈勃望遠鏡

讓我們來欣賞一下哈勃望遠鏡25周年的時候評選出來的最美哈勃圖片吧

哈勃太空望遠鏡拍攝的精美照片

哈勃太空望遠鏡拍攝的精美照片

哈勃望遠鏡讓我們觸及到了宇宙的極早期畫面

哈勃望遠鏡于1990年4月24日升空,，升空后就發(fā)現(xiàn)了對焦問題,，然后與1993年進行了第一次維修。最后一次維修(HST-SM4)是在2009年,，我在約翰霍普金斯大學讀書期間有幸參加了SM4的宇航員與公眾的見面會,。哈勃的繼任者--詹姆士韋伯望遠鏡(JWST)將于明年2018年升空，而NASA也把哈勃的服役期延長至2021年,。原本,，NASA計劃用航天飛機將退役的哈勃望遠鏡接回并陳列于博物館內(nèi)，但這一計劃由于航天飛機的徹底退役而作廢?，F(xiàn)在的計劃是在哈勃上安裝推進器,，讓它受控地進入大氣層然后在進行回收，但愿這一計劃能夠成功實施,，實在不想看到這樣一個彪炳人類史冊的儀器在大氣層中燒毀,。最近有傳出特朗普政府正在考慮使用商業(yè)發(fā)射機構在2020年后對哈勃進行一次維護，使得哈勃能夠繼續(xù)在太空從事科學研究活動,。

其它波段望遠鏡

以上都是談的光學望遠鏡,，也就是工作于可見光波段的望遠鏡。現(xiàn)代天文學已經(jīng)覆蓋了整個從射電到伽馬射線的電磁波,，因此對于其它波段的望遠鏡也做一些簡單介紹,。

由于二戰(zhàn)時期雷達技術的發(fā)展和成熟，射電天文學也應運而生,。射電望遠鏡分為單鏡和陣列式兩種,。大型的單鏡射電望遠鏡有位于波多黎各的305米Arecibo望遠鏡，還有剛建成的位于中國貴州的500米FAST望遠鏡,。

Arecibo望遠鏡,，直徑305米

FAST望遠鏡，直徑500米,，位于中國貴州

綜合孔徑技術可以將多個單獨的小型射電望遠鏡通過陣列組合并利用地球自轉達到超高的分辨率,，單個望遠鏡之間的距離越大分辨率就越高。比如位于新墨西哥州沙漠的甚大陣(Very Lary Array, VLA),，就是三條互成120度的36公里長的導軌，上面陳列了27個直徑25米的射電望遠鏡,。

射電望遠鏡甚大陣

為了獲得更高的分辨率,，望遠鏡陣列的基線(baseline)就要更長，因此出現(xiàn)了橫跨美國大陸的甚長基線干涉陣(VLBA)和以地球直徑為基線的VLBI,。這種干涉陣列的精度如此之高,，可以用來測量每年太平洋板塊的微小漂移！

比射電波長再短一些的是微波,。宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸的余暉,，溫度在~2.7K,，對宇宙背景輻射的觀測可以用來測量宇宙的一些重要參數(shù)，比如宇宙的年齡以及宇宙中的物質(zhì)和能量的分布,。

微波背景輻射探測器COBE,、WMAP和PLANK

由于微波背景輻射的溫度很低，所以很有必要降低望遠鏡自身的熱輻射,。地球軌道的第二朗格朗日點(L2)是一個太陽和地球的穩(wěn)定平衡點,，探測器在L2可以在地球的陰影里避免太陽的輻射。

日地系統(tǒng)的拉格朗日點

比微波波長再短的是紅外,。紅外望遠鏡在光學系統(tǒng)上跟光學望遠鏡是一樣的,，只是用來接收紅外光子和可見光光子的CCD不一樣而已。如今,，紅外天文學在研究早期宇宙的星系形成等課題上越來越重要,，因為高紅移使得遙遠星系輻射的可見光甚至紫外光在被我們接收的時候都變成了紅外光。哈勃望遠鏡的繼任者JWST就是主要工作在紅外波段,，將于2019年發(fā)射至L2,。用來尋找地外行星的赫歇爾望遠鏡(Herschel)也是紅外的。

將于2019年發(fā)射的詹姆士韋伯望遠鏡(JWST)

赫歇爾望遠鏡(Herschel)

由波音747飛機搭載的SOFIA紅外望遠鏡

比可見光波長短的是紫外,、X射線和伽馬射線,，這些波段的光會被地球大氣吸收，所以只能通過高空氣球,、火箭和太空衛(wèi)星到大氣層外面進行觀測,。我博士期間做的是X-ray觀測，所以我只能呆坐在電腦前下載這些望遠鏡的數(shù)據(jù),，同時在網(wǎng)上默默瀏覽那些做光學和紅外的同學在夏威夷和智利的天文臺拍的照片...不過還是要感謝這幾個X射線望遠鏡提供的數(shù)據(jù)和資金讓我完成了博士課題,。

霍普金斯紫外天文望遠鏡、錢德拉X射線天文臺以及Swift伽馬射線望遠鏡

天文愛好者望遠鏡

上面介紹完天文望遠鏡的歷史,，趁此機會就說一句關于天文愛好者購買業(yè)余望遠鏡的注意事項,，那就是不要在超市買望遠鏡！常有初級天文愛好者或者孩子家長問我買什么望遠鏡比較好,，我的回答是：天文望遠鏡分兩種,，一種是不能用的，一種是舍不得買的,。以下這些在超市貨架上銷售的望遠鏡就屬于不能用的,，切記不要浪費錢買這些。

便宜但沒法用的超市望遠鏡

最后貼一下我和我的望遠鏡們