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让我们仰望星空

2002-11-08 14:17 作者:鲁伊 2002年第44期
—最好的和最伟大的望远镜

——最好的和最伟大的望远镜

钱德拉X射线天文台历年拍摄下的天空照片

无论从哪一个角度来看,位于洛杉矶附近5700英尺高的威尔逊山上的威尔逊山天文台(Mount Wilson Observatory)都是天文学历史上最重要的天文台之一。80年前的一个又一个夜晚,埃德文.哈勃沿着威尔逊山上的林荫小径,走上山顶,透过当时世界上功能最强大的望远镜——100英寸口径的胡克望远镜——仰望夜空。他看到了一个由众多高速飞行旋转的星系所构成的,远远超出了我们所熟知的银河系范围的奇异的宇宙。充满惊叹号的观测结果沉淀积累,终于使哈勃和其后的天文学家推导出了关于万物起源的“大爆炸”理论。

80年的时间让哈勃成为一个仰之弥高的学者,一个值得纪念的名字,然而,威尔逊山天文台的天文学家们却并不愿意让自己的名字一直与“著名的老望远镜和好名声的保有者”相连。以佐治亚州州立大学的哈罗德.迈克阿里斯特为首的研究人员有自己的野心,那就是让威尔逊山成为当今最尖端的天文学的研究中心。由于拥有了CHARA(高解析影像天文学中心,Center for High Angular Resolution Astronomy的简称)阵列望远镜,迈克阿里斯特及其同事们的野心看上去并不那么难以实现。

CHARA与传统的天文望远镜不同,它是一台干涉仪望远镜。说到干涉仪望远镜,诺贝尔奖获得者、美国天文学家阿尔伯特.迈尔逊是个无法忽略的名字。他在19世纪晚期所作的一系列关于镜片基线和锐度、细节的光学试验为干涉仪望远镜的建立提供了理论基础。应用干涉测量理论,科学家们可以将单个望远镜结合起来,构成虚拟的超级望远镜。

目前世界上在建的6台干涉仪望远镜中,CHARA是最大的一个。凭借50倍于现今所有单镜天文望远镜的强大功能,它能够将人们前所未见的宇宙中的细微之处带到人们眼前:它可以看到月球上小到一个人那么大的发光物体,而如果那个人开着汽车的话,CHARA还能分辨出车的左前灯和右前灯。

CHARA的过人之处还在于,它能够将星星彼此分辨开来。尽管这听上去有些不可思议,但实际情况是,大多数通过目前最大、最新的传统天文望远镜观测到的恒星的清晰程度都和我们肉眼看到的星星一样,只是一些模糊而微弱的光点,大小难以确定,并且富有欺骗性。光谱分析揭示了其中奥秘。这些小点中的大多数可能都是由两颗星——天文学上称为双星(Binary)——或是更多颗恒星所构成的。双子星座中最明亮的Castor星就是一个很好的例子,长久以来,天文学家们都把它当成一颗星,然而,透过CHARA,你就会发现,它原来由6颗跳跃的大火球——恒星——构成。

CHARA目前所取得的最重大突破都是在恒星研究领域做出的。在这个领域,传统天文望远镜的局限之处令人吃惊。它们甚至不能确定大多数恒星的最基本数据,更不用说了解它们表面的情况。目前人类对恒星的知识大多数来自太阳,然而即便如此,也所知甚少。麦克阿里斯特的比喻甚为幽默:这就像以一个人为标本来研究社会学。最重要的是,以太阳为标本的研究并不足以说明宇宙中其他恒星的情况。根据目前观测结果,宇宙中2/3的恒星都是双星或多星体,在这种情形下,我们的太阳只能说是一个独行侠。

CHARA的首要任务,就是测量恒星的直径,从而推算出它的温度。6台Y字形分布的大型传统望远镜从夜空中获取信息,经过3100英尺长的真空导管,将数据反馈给20台高性能计算机组成的运算中心。在这里,研究人员只要几分钟就能获得一颗恒星的条纹图像,并测算出它的直径。每个晚上,威尔逊山天文台的天文学家都能够完成上百颗恒星的测量活动,这在以前完全不可想象。耶鲁大学的天文学教授查尔斯.白林将其比作一场革命,而它的决定性意义在于,它们是所有其他研究进行的基础所在。

CHARA的第二项任务是更细致考察恒星,并绘出它们表面的细节图。这可能是与人类命运最密切相关的研究。通过研究其他恒星的兴起与衰落,天文学家可以对太阳的活动有更深入了解,从而预测出太阳未来的变化及对地球的影响。此外,行星学家也会在CHARA的探测中受益匪浅。依照计划,建成的CHARA将能探测到双星附近的行星,这就大大扩展了外太阳系行星搜索的范围。毫无疑问,我们发现并了解的行星越多,在其中找到可以支持生命存在的星球的可能性也就越大。

80年前,威尔逊山上的胡克望远镜是公认的世界上最好的望远镜,因为它让人们的视线一瞬间延伸到了银河系之外。生活在威尔逊山新的黄金时代里的科学家们正在改写这一历史,对于他们,细节是最重要的。它让人类以前所未有的清晰度再次审视这个似乎已经熟悉了的宇宙,发现以往忽略的真实,永远改变我们对恒星的看法,从这个意义上讲,CHARA将是最新的、世界上最好的望远镜

历史上最伟大的5台望远镜

1.伽利略自制的小型望远镜

与许多故事中讲述的不同,伽利略并非望远镜的发明人。大约在1608年,这种新奇的玩艺在荷兰出现,并在随后的一年里风靡欧洲。当时的伽利略无力购买这样一台时髦的小东西,但他运用丰富的光学知识,很快就用自制透镜做出了自己的第一台望远镜。尽管最初的放大率只有3倍,而最后也不过到了20倍,但使用这台简陋仪器,伽利略看到了银河是由众多行星所组成的,发现了木星的4颗卫星。此外,他还发现了金星的相变、土星环,并成为发现太阳黑子的第一人。在这些观测的基础上,伽利略证实了哥白尼日心说的正确性,而他所作的研究和提出的理论,为后来的天文学家开辟了道路。

2.帕罗玛天文台的200英寸 口径的海尔望远镜

虽然伽利略仅凭直径2英寸的透镜制成的望远镜就取得了重大的天文发现,但当人类对宇宙基本结构的研究进一步深入,更大口径的望远镜就成为必需。美国天文学家乔治.海尔(George Hale)在这个领域作出的贡献为全世界天文学家所称道。20世纪20年代,他成功说服了洛克菲勒基金会国际教育委员会投资600万美元,在帕罗玛天文台建造200英寸口径的大望远镜。使用派热克斯(Pyrex)玻璃浇铸的透镜耐热性优良,而且坚固耐用。当1934年它浇铸完成后,用了整整8个月时间才完全冷却下来。此后,由于“二战”的原因,这块14.5吨重的镜片在12年后才被加工完成,送往帕罗玛。

3.甚大阵射电望远镜

海尔望远镜只是一部分的成功,因为它只能观测到可见波长,而相对波长较长的无线电波而言,200英寸的口径是远远不够的。据计算,一台可以同海尔望远镜相媲美的射电望远镜的镜面口径可能要横跨美国国土的1/4,而这显然是难以实现的。干涉测量学的应用将天文学家们从镜片的束缚中解脱出来,它可以将多个小型望远镜组合成为一个虚拟的大型望远镜,完成所需的观测任务。位于新墨西哥州索科洛的甚大阵(Very Large Array)是世界上功能最强大的干涉望远镜。由27个直径82英尺重230吨的天线构成的Y字形射电望远镜阵列最早兴建于1975年,从它投入应用后,“整个星空一下子变得清晰了”。甚大阵射电望远镜的功能极为强大,它能够看到100英里以外的一个发射无线电信号的高尔夫球大的物体。

4.哈勃太空望远镜

排名总是会引起争议,但哈勃太空望远镜作为历史上最伟大的望远镜的地位却很少引起质疑。不过,这台最伟大的望远镜在最开始的时候,却几乎是一个失败之作。耗资15亿美元的哈勃太空望远镜在1990年开始自己征程时,人们对它寄予了极大希望,然而,返回的照片却相当模糊。在检修中,研究人员发现,原来这是因为哈勃主镜片上一条头发丝粗的裂缝所致。在1993年宇航员重新更换了正确镜片后,哈勃望远镜终于得以一显神通。

虽然哈勃的主镜片直径达2.4米,但以天文望远镜的标准来说,这远远算不上大。它的强势在于远离地球大气层,从而避免了许多会使图像模糊畸变的干涉。

5.钱德拉X射线天文台

大气层使从地球上拍摄的天文图片模糊不清,同时也屏蔽了许多高能电磁辐射,比如X射线。尽管这对于人类得以在地球上繁衍生息至关重要,但却是让高能天体物理学家头痛的大麻烦。1999年7月23日由哥伦比亚号航天飞机发射升空的钱德拉X射线天文台成功地解决了这一问题。

钱德拉X射线天文台在天文学上的重大意义在于它近乎完美的镜片。X射线的波长极短,与原子的直径相近,为了反射X射线,镜面的平滑程度必须以原子级计算,而钱德拉X射线天文台做到了。它所采用的技术即使在现在也被许多人认为是不可能的,凭借这些高端技术,人们现在可以看到分辨率足以同任何其他波长的图像相媲美的X射线宇宙图像。

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