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第26章 观测日食月食的千里眼(3)

欧洲南方天文台自1986年开始研制由4台8米口径望远镜组成一台等效口径为16米的光学望远镜。这4台8米望远镜排列在一条直线上,它们均为RC光学系统,焦比是F/2,采用地平装置,主镜采用主动光学系统支撑,指向精度为1″,跟踪精度为0.05″,镜筒重量为100吨,叉臂重量不到120吨。这4台望远镜可以组成一个干涉阵,做两两干涉观测,也可以单独使用每一台望远镜。

双子望远镜是以美国为主的一项国际设备(其中,美国占50%,英国占25%,加拿大占15%,智利占5%,阿根廷占2.5%,巴西占2.5%),由美国大学天文联盟(AURA)负责实施。它由2个8米望远镜组成,一个放在北半球,一个放在南半球,以进行全天系统观测。其主镜采用主动光学控制,副镜作倾斜镜快速改正,还将通过自适应光学系统使红外区接近衍射极限。

该工程于1993年9月开始启动,第一台在1998年7月在夏威夷开光,第二台于2000年9月在智利赛拉帕琼台址开光,整个系统在2001年验收后正式投入使用。

昴星团(日本)8米望远镜是一台8米口径的光学/红外望远镜。它有三个特点:①镜面薄,通过主动光学和自适应光学获得较高的成像质量;②可实现0.1″的高精度跟踪;③采用圆柱形观测室,自动控制通风和空气过滤器,使热湍流的排除达到最佳条件。此望远镜采用Serrurier桁架,可使主镜框与副镜框在移动中保持平行。

大天区多目标光纤光谱望远镜是中国正在兴建中的一架有效通光口径为4米、焦距为20米、视场达20平方度的中星仪式的反射施密特望远镜。它的技术特色是:①把主动光学技术应用在反射施密特系统,在跟踪天体运动中作实时球差改正,实现大口径和大视场兼备的功能。②球面主镜和反射镜均采用拼接技术。③多目标光纤(可达4000根,一般望远镜只有600根)的光谱技术将是一个重要突破。

知识点光学仪器

光学仪器是由单个或多个光学器件组合构成。光学仪器主要分为两大类,一类是成实像的光学仪器,如幻灯机、照相机等;另一类是成虚像的光学仪器,如望远镜、显微镜、放大镜等。光学仪器是仪器仪表行业中非常重要的组成类别,是工农业生产、资源勘探、空间探索、科学实验、国防建设以及社会生活各个领域不可缺少的观察、测试、分析、控制、记录和传递的工具。特别是现代光学仪器的功能已成为人脑神经功能的延伸和拓展。

射电天文望远镜

1931年,在美国新泽西州的贝尔实验室里,负责专门搜索和鉴别电话干扰信号的美国人杨斯基发现:有一种每隔23小时56分04秒出现最大值的无线电干扰。经过仔细分析,他在1932年发表的文章中断言:这是来自银河系中射电辐射。由此,杨斯基开创了用射电波研究天体的新纪元。当时他使用的是长30.5米、高3.66米的旋转天线阵,在14.6米波长取得了30度宽的“扇形”方向束。此后,射电望远镜的历史便是不断提高分辨率和灵敏度的历史。

自从杨斯基宣布接收到银河系的射电信号后,美国人G·雷伯潜心试制射电望远镜,终于在1937年制造成功。这是一架在第二次世界大战以前全世界独一无二的抛物面型射电望远镜。它的抛物面天线直径为9.45米,在1.87米波长取得了12度的“铅笔形”方向束,并测到了太阳以及其他一些天体发出的无线电波。因此,雷伯被称为是抛物面型射电望远镜的首创者。

1946年,英国曼彻斯特大学开始建造直径66.5米的固定抛物面射电望远镜,1955年建成当时世界上最大的76米直径的可转抛物面射电望远镜。与此同时,澳、美、苏、法、荷等国也竞相建造大小不同和形式各异的早期射电望远镜。除了一些直径在10米以下、主要用于观测太阳的设备外﹐还出现了一些直径20~30米的抛物面望远镜﹐发展了早期的射电干涉仪和综合孔径射电望远镜。

20世纪60年代以来,相继建成的有美国国立射电天文台的42.7米、加拿大的45.8米、澳大利亚的64米全可转抛物面、美国的直径305米固定球面、工作于厘米和分米波段的射电望远镜(见固定球面射电望远镜)以及一批直径10米左右的毫米波射电望远镜。因为可转抛物面天线造价昂贵,固定或半固定孔径形状(包括抛物面、球面、抛物柱面、抛物面截带)的天线的技术得到发展,从而建成了更多的干涉仪和十字阵。

射电天文技术最初的起步和发展得益于第二次世界大战后大批退役雷达的“军转民用”。射电望远镜和雷达的工作方式不同,雷达是先发射无线电波再接收物体反射的回波,射电望远镜只是被动地接收天体发射的无线电波。

射电望远镜20世纪50~60年代,随着射电技术的发展和提高,人们研究成功了射电干涉仪、甚长基线干涉仪,综合孔径望远镜等新型的射电望远镜射电干涉技术使人们能更有效地从噪音中提取有用的信号;甚长基线干涉仪通常是相距上千千米的。几台射电望远镜作干涉仪方式的观测,极大地提高了分辨率。

20世纪60年代末至70年代初,不仅建成了一批技术上成熟、有很高灵敏度和分辨率的综合孔径射电望远镜,还发明了有极高分辨率的甚长基线干涉仪这种所谓现代射电望远镜。另一方面还在计算技术基础上改进了经典射电望远镜天线的设计,建成直径100米的大型精密可跟踪抛物面射电望远镜。

20世纪80年代以来,欧洲的VLBI网、美国的VLBA阵、日本的空间VLBI相继投入使用,这是新一代射电望远镜的代表,它们的灵敏度、分辨率和观测波段上都大大超过了以往的望远镜。其中,美国的超常基线阵列(VLBA)由10个抛物天线组成,横跨从夏威夷到圣科洛伊克斯8000千米的距离,其精度是哈勃太空望远镜的500倍,是人眼的60万倍。它所达到的分辨率相当让一个人站在纽约看洛杉矶的报纸。

今天射电的分辨率高于其他波段几千倍,能更清晰地揭示射电天体的内核;综合孔径技术的研制成功使射电望远镜具备了方便的成像能力,综合孔径射电望远镜相当于工作在射电波段的照相机。

射电望远镜与光学望远镜不同,它既没有高高竖起的望远镜镜筒,也没有物镜、目镜,它由天线和接收系统两大部分组成。

巨大的天线是射电望远镜最显著的标志,它的种类很多,有抛物面天线、球面天线、半波偶极子天线、螺旋天线等。最常用的是抛物面天线。天线对射电望远镜来说,就好比是它的眼睛,它的作用相当于光学望远镜中的物镜。它要把微弱的宇宙无线电信号收集起来,然后通过一根特制的管子(波导)把收集到的信号传送到接收机中去放大。接收系统的工作原理和普通收音机差不多,但它具有极高的灵敏度和稳定性。接收系统将信号放大,从噪音中分离出有用的信号,并传给后端的计算机记录下来。记录的结果为许多弯曲的曲线,天文学家分析这些曲线,得到天体送来的各种宇宙信息。

把造价和效能结合起来考虑,今后直径100米那样的大射电望远镜大概只能有少量增加,而单个中等孔径厘米波射电望远镜的用途越来越少。主要单抛物面天线将更普遍地并入或扩大为甚长基线、连线干涉仪和综合孔径系统工作。随着设计、工艺和校准技术的改进,将会有更多、更精密的毫米波望远镜出现。

知识点光纤

光纤是光导纤维的简写,是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。前香港中文大学校长高锟和GeorgeA.Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想,高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。

通常光纤与光缆两个名词会被混淆。多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆,包覆后的缆线即被称为光缆。光纤外层的保护结构可防止周围环境对光纤的伤害,如水,火,电击等。光缆分为:光纤,缓冲层及披覆,光纤和同轴电缆相似,只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。

遨游太空的哈勃望远镜

现在,人们观测日食和月食已经非常容易了。各种各样的望远镜和人造卫星,为科学家和天文爱好者观测日食和月食带来了极大的方便。

在茫茫的天际中,在众多的人造卫星中,“哈勃太空望远镜”是最耀眼的一颗,这是为纪念美国杰出天文学家哈勃而命名的地球轨道天文台。它使人类真正摆脱了大气圈的束缚,将地面天文台搬到了宇宙“旷野”之中。这才使人类可以毫无遮挡、随心所欲地“放眼世界”。

“哈勃”被誉为“太空千里眼”,其实这种说法是不很确切的。光每秒走30万千米,人们将光走1年的距离(光年)作为计量天体距离的单位。而“哈勃”的“眼力”则能达到140亿光年外的天际,因此,俗话所称的“千里眼”就不是褒义词,反成贬义词了。

“哈勃”在地球上空530千米处绕行。全长13米,由40万个部件组成,重约11吨,总造价达30亿美元。它凝聚了1万名科技人员近20年的辛勤劳动。主体望远镜直径为2.4米,此外还配有高速光度计、高分辨摄谱仪、模糊天体摄影机等构件。

它是迄今世界上最清晰的天文望远镜,比地面最佳望远镜的精度高10倍:除了可见光和无线电波外,可接收来自四面八方任何波长的电磁波信息;而且还可通过长时间曝光的方法发现极其遥远的模糊天体。显然,这是航天技术和天文学相结合的一项重大成就。

“哈勃”自1990年4月升空,至今已有20多年“工龄”了。由于它是科学家揭示宇宙奥妙极为重要的工具,因此必须十分精密、高效。如果“天眼”上任何部件稍有偏差或“病痛”,就会立即影响观察的精度和效果。这些年来,人们对它真是“谨小慎微”,悉心呵护,前后已进行过3次“大修”。

哈勃望远镜“哈勃”刚进入太空不久,就患上“球面像差”近视眼的毛病,其实只有1/25头发丝那样的误差,就导致对深空的物体不能正常聚焦,测距只能限于40亿光年以内。

1993年10月,宇航员们搭乘航天飞机到“哈勃”,在太空中为其装上一套“校球差光学仪”,纠正了原来的成像畸变,使测距范围立即提高到140亿光年。

1997年2月,对哈勃太空望远镜再次进行维修。两组宇航员进行了5次太空行走。修复了望远镜上的摄谱仪和红外照相机,使得它们的性能明显改善,能透过太空尘埃观察黑洞。此次,还将“哈勃”送上了比原来高出15千米的太空轨道。

“哈勃”共安装了6个陀螺仪传感器,用于瞄准和保持运行稳定,其中,至少要有3个陀螺仪正常运转才能维持望远镜的观察活动。但自1997年以来,相继有3个陀螺仪腐蚀生锈,1999年,第四个又开始发生故障。同年11月,由于陀螺仪工作不正常,导向越来越不准确,“哈勃”的电脑中枢立即指令望远镜停止了观察活动。12月,7名欧美宇航员搭乘“发现号”航天飞机,为“哈勃”送去和安装了6个新陀螺仪、新的数据记录仪、无线电发报机和新型电脑。“哈勃”由此变得焕然一新。此后,它发回了极其清晰、“价值连城”的天文图像,科学家们为此欣喜若狂。

“哈勃”在太空中“看”到了许多前所未见的景象,改变或纠正了人们在地表观察中建立的种种旧观念。它使人类首次看到宇宙大爆炸初期的奇异景观;也使人们详尽了解了恒星的孕育、诞生、演化和灭亡的全过程;亲眼“目睹”了1994年SL—9彗星撞击木星的“太空之吻”;利用最古老的白矮星计算了宇宙的年龄;并用多种“天文指数”证实了黑洞的存在;现在它又在执行探寻宇宙生命的“起源计划”……

有了这样的“天眼”,人类才有可能欣赏到如此美妙的宇宙苍穹,人类对宇宙的认识也因此走上了一个新台阶。尽管“哈勃”巡空20余载,渐显“老态”,行将“告老引退”,人们已计划在2011年发射新的“韦伯太空望远镜”来接替。但哈勃望远镜早已成为人们心目中无法磨灭的历史丰碑,如果要夸奖“哈勃”的功勋,怎么说都不会过分。

知识点光学玻璃

能改变光的传播方向,并能改变紫外、可见或红外光的相对光谱分布的玻璃。狭义的光学玻璃是指无色光学玻璃;广义的光学玻璃还包括有色光学玻璃、激光玻璃、石英光学玻璃、抗辐射玻璃、紫外红外光学玻璃、纤维光学玻璃、声光玻璃、磁光玻璃和光变色玻璃。光学玻璃可用于制造光学仪器中的透镜、棱镜、反射镜及窗口等。由光学玻璃构成的部件是光学仪器中的关键性元件。

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