怎樣制作天文望遠鏡

用液體制作天文望遠鏡    伽利略望遠鏡與開普勒望遠鏡    世界上第一架天文望遠鏡是意大利科學(xué)家伽利略于1609年發(fā)明的,當(dāng)時只能將物體放大3倍。后來這架望遠鏡經(jīng)過伽利略不斷改進,能將物體放大30倍。他用這臺望遠鏡觀測天象,獲得了月球表面的環(huán)形山、太陽黑子、金星盈虧等重大發(fā)現(xiàn)。他的天文望遠鏡是用荷蘭人利比斯赫設(shè)計的水晶透鏡制造的,鏡筒的一端為凹透鏡,另一端為凸透鏡。    后來,德國天文學(xué)家開普勒又發(fā)明了一種天文望遠鏡,是用兩塊凸透鏡組合起來的。

用開普勒望遠鏡觀看遠處天體時,影像是上下顛倒的實像。這對天文觀測沒有太大的妨礙,只要記住影像是顛倒的這一點,并在鏡筒的實像位置上劃一個十字線,研究天體就不會有什么差錯。    不管是伽利略望遠鏡還是開普勒望遠鏡,都是利用光折射成像原理制成的折射式望遠鏡。這些望遠鏡會出現(xiàn)一個共同的缺點——球差和色差。球差是因為透鏡邊緣和中心厚度不一樣而造成的,從透鏡不同地方透射出來的光線不能聚在同一焦面上,造成天體圖像變形。色差是指因透鏡的色散而造成望遠鏡所觀測的天體圖像上存在無關(guān)的顏色。另外,折射式望遠鏡的口徑越大,鏡筒就越大,給望遠鏡的

用液體制作天文望遠鏡    伽利略望遠鏡與開普勒望遠鏡    世界上第一架天文望遠鏡是意大利科學(xué)家伽利略于1609年發(fā)明的,當(dāng)時只能將物體放大3倍。后來這架望遠鏡經(jīng)過伽利略不斷改進,能將物體放大30倍。他用這臺望遠鏡觀測天象,獲得了月球表面的環(huán)形山、太陽黑子、金星盈虧等重大發(fā)現(xiàn)。他的天文望遠鏡是用荷蘭人利比斯赫設(shè)計的水晶透鏡制造的,鏡筒的一端為凹透鏡,另一端為凸透鏡。    后來,德國天文學(xué)家開普勒又發(fā)明了一種天文望遠鏡,是用兩塊凸透鏡組合起來的。用開普勒望遠鏡觀看遠處天體時,影像是上下顛倒的實像。這對天文觀測沒有太大的妨礙,只要記住影像是顛倒的這一點,并在鏡筒的實像位置上劃一個十字線,研究天體就不會有什么差錯。

不管是伽利略望遠鏡還是開普勒望遠鏡,都是利用光折射成像原理制成的折射式望遠鏡。這些望遠鏡會出現(xiàn)一個共同的缺點——球差和色差。球差是因為透鏡邊緣和中心厚度不一樣而造成的,從透鏡不同地方透射出來的光線不能聚在同一焦面上,造成天體圖像變形。色差是指因透鏡的色散而造成望遠鏡所觀測的天體圖像上存在無關(guān)的顏色。另外,折射式望遠鏡的口徑越大,鏡筒就越大,給望遠鏡的安裝和使用帶來不便。    牛頓的反射式望遠鏡    為了克服折射式望遠鏡的缺點,英國物理學(xué)家牛頓用凹面鏡代替凸透鏡聚光,再使光線通過凸透鏡成像,這就是歷史上第一臺反射式望遠鏡。他用這臺望遠鏡清楚地看到了木星的衛(wèi)星及金星的盈虧。

牛頓的第一臺反射式望遠鏡內(nèi)的凹面鏡,直徑只有12.7厘米,其觀測范圍很有限。而天文望遠鏡的目的是要觀測和收集遙遠的天體發(fā)出的光線并使其形成影像。為了對天體作更加仔細的研究和觀測更暗弱的天體,最重要的手段就是增大望遠鏡的口徑。因此,現(xiàn)代反射式望遠鏡的口徑越做越大。1795年,英國制造了一臺口徑為1.30米的反射式望遠鏡,它的反射式望遠鏡和凸透鏡之間的距離達13米,質(zhì)量達1噸。自那以后,美國和蘇聯(lián)相繼制成口徑更大的反射式望遠鏡。如美國在帕洛馬山天文臺安裝了一臺口徑為5米的大型反射式望遠鏡;蘇聯(lián)在高加索的一個天文臺安裝了一架口徑達6米的反射式望遠鏡。    望遠鏡的口徑做得越大,天文學(xué)家可觀測到的天體就越多,并且觀測到的細節(jié)也越來越豐富,甚至可觀測到圍繞其他恒星運行的行星。

但是凹面鏡越造越大,其鏡面的加工難度也越大。大型反射式望遠鏡的加工難度可以從加工凹面鏡的過程得到證明。生產(chǎn)一面直徑為3.58米的凹面鏡,要用45噸玻璃。工人們先將玻璃熔化,然后緩緩注入一個碟子形的模子里,模子直徑達8米。當(dāng)溫度為1400℃的液體玻璃全部注入模子后,再將模子移到一個轉(zhuǎn)臺上,以每分鐘6圈的速度轉(zhuǎn)動,利用離心力使熔化的玻璃布滿碟子的內(nèi)表面,待玻璃冷卻到800℃后,連同模子放進一個巨型爐中,使直徑8米多、厚度17厘米的玻璃碟在3個月內(nèi)逐漸冷卻。如此緩慢的冷卻是為了防止產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,以免玻璃碎裂。此后,玻璃碟還要經(jīng)過長達8個月的熱處理,才能進行研磨拋光。

研磨后,在凹面上鍍上一層鋁,接著在中心鉆一個直徑約1米的孔。經(jīng)過這一系列工序,才能得到一塊質(zhì)量為23噸、直徑為3.58米的反射凹面鏡。整個加工過程要花費兩年時間。    液體望遠鏡的問世    因為制造一面巨型反射凹面鏡特別費事,所以科學(xué)家們開始探索減輕反射凹面鏡重量和簡化制造工藝的途徑,有些科學(xué)家就提出用水銀來制作望遠鏡的想法。1987年,一批加拿大的天文學(xué)家終于制造出一架口徑為1.5米的水銀液體望遠鏡。制作水銀反射式望遠鏡特別簡單,水銀反射式望遠鏡的凹面用45秒的時間就可以成形。技術(shù)人員先把水銀注入一個拋物面形的盤子中,使其覆蓋盤子的大部分表面。

然后旋轉(zhuǎn)盤子,使水銀在離心力的作用下散開,形成一層1~2毫米厚的拋物面薄膜。由于水銀有較大的表面張力,制作完成的水銀表面上有時會出一些小孔。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時,可以重復(fù)操作一次。一般的操作人員經(jīng)過幾天的實際練習(xí),都能“旋轉(zhuǎn)”出完全沒有小孔的光潔如鏡的水銀薄膜凹面鏡。這種水銀反射式望遠鏡的價格比玻璃反射式望遠鏡便宜得多。目前,加拿大的天文學(xué)家正在籌建口徑為5~15米的巨型水銀反射式望遠鏡。他們的長遠目標(biāo)是建造口徑為30米的大型水銀反射式望遠鏡,以便觀測更遠處的天體。    天文學(xué)家下一步的目標(biāo)之一就是要制造口徑為20~100米的超大型反射式望遠鏡,而用玻璃制造這樣大的單鏡面反射式望遠鏡幾乎是不可能的。

但是,由于水銀反射式望遠鏡具有成本低和重量輕的特點,利用水銀則完全可能制造出超大口徑的反射式望遠鏡。一些天文學(xué)家正在制作口徑為12米的水銀反射式望遠鏡,然后用18臺這種水銀反射式望遠鏡組成一個望遠鏡陣列,這個陣列就相當(dāng)于一架口徑為50米的大型反射式望遠鏡。    水銀反射式望遠鏡的弱點    水銀反射式望遠鏡的最大弱點是只能垂直觀測上方的一小塊天空,不能傾斜,否則水銀就會溢出,因此觀測的天空區(qū)域狹窄,就像“坐井觀天”。

后來,天文學(xué)家又制造出了可以旋轉(zhuǎn)的水銀反射式望遠鏡,這樣不僅能觀測正上方非常狹小的天空,而且在天體經(jīng)過水銀反射式望遠鏡上方時望遠鏡還可以通過旋轉(zhuǎn)跟蹤天體半小時。對水銀反射式望遠鏡而言,這是一個不小的進展?，F(xiàn)在,天文學(xué)家甚至能通過改變水銀盤的旋轉(zhuǎn)速度,改變水銀反射式望遠鏡的焦距。    水銀反射式望遠鏡的另外一個缺點就是會揮發(fā)出有毒的水銀蒸氣。在鏡面開始形成時,水銀蒸氣量較大,操作人員應(yīng)戴上防護面罩。但幾小時后,在表面形成一層氧化膜,水銀的蒸發(fā)量就會大大減少。    水銀反射式望遠鏡還有一個缺點是怕振動和風(fēng)吹。由于水銀形成的是凹面,望遠鏡微小的振動都會影響其凹面的精度,因此,水銀反射式望遠鏡需要安裝在混凝土底座上,并和周圍的建筑物隔離。