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自從望遠鏡為我們認識宇宙打開了一扇新的窗戶,探索就沒停止過
發布時間: 2018/8/23 18:44:41  瀏覽: 413

望遠鏡改變了人類認識自己和認識自然的方式。隨著一架比一架更先進的望遠鏡的問世,人類看得更遠,知道的也更多。現在,就讓我們來回顧一下充滿趣味的望天歷程。

八層樓高的巨型門滑開,一雙巨大的“眼睛”將它的“目光”投向太空最深處——這就是大名鼎鼎的“大型雙筒望遠鏡”。

作為地球上最強大的望遠鏡之一,位于美國亞利桑那州的這架大型雙筒望遠鏡價值超過1.2億美元,它那直徑超過8米的鏡子能搜集到只有人眼可見光強度的百萬分之一甚至千萬分之一的光線。這架600噸重的機械望遠鏡的能見距離超過130億光年,也就是我們所在宇宙的最邊緣。

像大型雙筒望遠鏡這樣的超級望遠鏡能拍攝到天空中哪怕最黑暗角落的實時圖像。從這些圖像上我們可以看到。如巨浪翻滾的氣體和塵埃云正在與超音速風搏斗,其搏斗場景被成千上萬顆充滿活力的新生恒星點亮。這些高達92萬億千米的巨型云團其實正是“恒星產房”,它們是恒星群誕生的地方。

突然,一顆恒星的爆發性死亡發出的超熱氣體以每秒上千千米的速度撕裂太空;與此同時,在遙遠星系中,一個超大質量黑洞——宇宙中最神秘的物體之——正在發出不可見的能量射流。借助高科技的望遠鏡,無論是對恒星爆發產生的超熱氣體,還是對超大質量黑洞發出的能量射流,天文學家都能為其拍攝照片。

自第一架望遠鏡于17世紀誕生以來,短短幾百年間望遠鏡已經改變了人類認識自己和認識自然的方式。隨著一架比一架更先進的望遠鏡的問世,人類看得更遠,知道的也更多。

認識太陽系

伽利略

1609年夏天,意大利數學教授伽利略·加里雷正在完成自己的一項發明,那是一架被叫做“望遠鏡”的東西。在古希臘文中,這個名詞的意思是“能看見遠處的東西”。很快,他的新發明像野火燎原一樣蔓延整個歐洲。

當時,在荷蘭的一個小鎮,眼鏡制造者在制作精確的透鏡時發現,假如把兩類不同的透鏡以相隔合適的距離放置,就能產生令人吃驚的光學效果——這兩面透鏡起著放大遠處物體的作用。伽利略立即意識到了這一發現的潛在意義。他利用這個原理制作出了可見距離為人眼可見距離8倍的望遠鏡。很快,成尼斯軍隊買下這架望遠鏡,用來監視敵人的船隊。接著,伽利略又將望遠鏡對準太空,從而開始了一場革命。在伽利略之前,所有天文學家都認為天宇就是他們裸眼能看見的一切——星星和月亮。他們用肉眼看到,天空中有5顆星有時比其他星星都亮,如果連續數夜觀察,這5顆星在其他群星的背景上移動,并且這5顆星時而可見時而不可見。

他們稱這5顆星為“行星”,這個名字在希臘文中是“流浪者”之意。其中,金星被稱為晚星,它總是在日落時分掠過地平線;火星亮得有些發紅;木星和土星比周圍的星星都亮。我們現在已經知道這些“流浪”的星星實際上都是像地球一樣的行星,但在伽利略時代,每個人都相信這5顆星只不過是一般的星星。宇宙中只有一個世界,那就是地球,地球是宇宙的中心,白天太陽圍著地球轉,月球和其他星星則在漫漫長夜里以巨大的勒軌道繞地球打轉。

然而,伽利略向人們證明:這不過是錯覺而已。當伽利略開始用望遠鏡觀察月球時,人們已知的世界秩序也就開始被打破。在舊的宇宙學中,所有的天體都是完美無缺的,月球是一個天體,因而它在人們眼中也是完美的。但是,穿越40萬千米的太空,伽利略所看到的月球遠不如他所期望的那樣平滑——月球表面實際上布滿瘡痍,到處是隕擊坑和峽谷。

既然在月球上并不鮮見地球地貌,那么地球在宇宙中自然也就算不上獨一無二了。這還只是一個開端。接下來,伽利略將望遠鏡瞄準了木星——“流浪的星星”之一。裸眼看去,木星是一顆明亮的星,確切說是一個光點。透過伽利略的望遠鏡看去,所有其他星星都只是光點,而木星突然變成了一個大得多的圓盤。盡管望遠鏡的鏡頭質量不佳,無法看清木星的真面目,但根據透過望遠鏡所看到的模糊不清且搖晃厲害的木星圖像,伽利略做出了一個偉大的結論:木星一定是球形的另一個世界(也就是我們今天所說的另一顆行星)。

在木星周圍,伽利略有了更驚人的發現。他透過望遠鏡看見,木星旁邊還有兩到四顆星,它們就像小鴨跟在木星這個“大鴨”的后面。夜復一夜,伽利略注意到這些新星的位置不斷變動。在觀察這些“小鴨”一兩周之后,伽利略意識到它們其實是環繞木星的衛星(木衛)。伽利略知道自己獲得了重大發現,并且把這些發現寫在了他出版的《星之信使》一書中。

然而,更大的發現還在后面——伽利略的觀察記錄將永遠改變人類的宇宙觀。伽利略當時觀察到,金星在一個月里不斷地改變其形狀和大小。具體而言,伽利略發現,金星每個星期都在改變,從一個大新月形變成一個小圓盤,接著陰影再次爬上金星,讓它又回復到大新月形。伽利略認為,他在金星上看到的陰影只可能意味著一件事:金星在圍繞太陽運行。這就是說,與當時人們的信仰—每個天體都圍繞地球轉不同,地球不再是宇宙的中心。

對于伽利略的這些發現,當時的羅馬天主教會非常不滿,因為教會向人們灌輸的觀點是:上帝把人類放在地球上,也就是放在了創世的正中心。以太陽為中心的宇宙挑戰了教會的權威,教會對此當然不能容忍。然而,伽利略對太陽系的認識是完全正確的,他的發現永久性地改變了世界。

探索土星環

“卡西尼號”

今天,望遠鏡以當年伽利略只能夢想的細節向我們展示了太陽系:太陽表面的爆發威力高達1000萬億噸梯恩梯;木星表面的大紅斑實際上是一個超巨型風暴渦旋,它大得足以吞沒三個地球;在木星的衛星伊娥(木衛一)表面,

火山將氣體和塵埃噴進太空;在火星上,有一個比地球上著名的大峽谷(位于美國西部亞利桑那州西北部的凱巴布高原上。全長446千米,平均谷深1600米)深6倍的峽谷,

有一座比珠穆朗瑪峰高3倍的火山;

在金星大氣洶涌起伏的硫酸云之下,山脈自金星的巖石表面崛起;在太陽系的邊緣,由巖石和冰構成的矮行星正環繞太陽運行。

不過,有一顆行星一直充滿謎團,就連最先進的望遠鏡也不能破解它的秘密,這就是土星和它的環系統。伽利略是首先看出土星與眾不同的人,他觀察到土星有兩只奇異的“耳朵”,并推測它們是土星的衛星。后來的天文學家看出,這兩只“耳朵”實際上是一條環繞土星的巨大扁平環。再后來,有一個人發現,這個大環其實是由多個同心環組成的。此人就是在意大利出生的法國天文學家喬凡尼·卡西尼。

之前的“卡西尼任務”其目的是查明為什么土星會有環,以及土星環是由什么構成的。在“卡西尼號”飛船前往伽利略時代太陽系中最遠的衛星——土星的過程中,飛船借助木星巨大的引力拉動使自己朝著目的地方向彈射出數百萬千米。借助木星的引力,“卡西尼號”的速度高達每小時11萬千米以上,即使這樣。這艘飛船還是花了7年時間才抵達距離地球遠達15億千米的土星。接著,它下潛穿過土星的外環,進入環繞土星的軌道。

從“卡西尼號”拍攝的土星環照片上看,土星環好像是完整的固體,但實際上土星環是由數十億塊冰和巖石構成的,這些冰和巖石的大小從一粒沙到一幢房子都有,它們散落在寬達數十萬千米的范圍內。問題是,這些東西是從哪里來的呢?“卡西尼號”攜帶的望遠鏡的觀測結果證實,土星環的內環是由隕星碰撞土星的衛星(土衛),從土衛表面彈射出的材料構成的。不過,土星最外環的來源一直還是謎。

由“卡西尼號”拍攝的圖像顯示,土星最外環與最內環不同,是由微粒構成的,看上去就像是鬼魅的霧。天文學家懷疑冰質的土衛二——恩克拉多斯可能是這團霧的來源,但這中間的具體機制卻無人知曉。不過,他們通過“卡西尼號”的望遠鏡看到了一個前所未見的現象:巨大的蒸氣柱自恩克拉多斯表面的裂縫噴涌而出,高度達數百千米。

這些蒸氣柱會不會正是土星外環的來源呢?為找到答案, “卡西尼號”做了一件很了不起的事:直接飛到蒸氣柱中,用它搭載的探測器“品嘗”了蒸氣柱的“味道”。在地球上的任務控制中心里,天文學家緊張地分析“卡西尼號”發回的數據。結果顯示,恩克拉多斯噴出的蒸氣是由冰、鹽和氨組成的,同土星外環的成分完全一致。這就確鑿地證明了恩克拉多斯噴出的蒸氣柱正是土星外層霧環的來源。

這真是—個重大發現。“卡西尼號”搭載的空間望遠鏡正在破解困擾了天文學家幾個世紀的土星環之謎。今天的望遠鏡正望向越來越深的太空,以發現伽利略或許從未想見的秘密。但是,為了捕捉到清晰的太空圖像,望遠鏡不得不經過了深刻的變革才發展到今天的地步。

革新望遠鏡

牛頓

這場變革的第一步是盡量增加望遠鏡的長度。讓我們回到17世紀50年代。早期望遠鏡的一個主要問題是影像模糊,原因在于透鏡的形狀。當用一個強彎曲度的鏡頭來折射光線時,光線不能全部匯集到一個點,因而影像模糊;此外,一些光線的顏色可能出現分色——彩虹色,這也會扭曲圖像。

盡量避免模糊與彩虹色的唯一方法就是使用更薄的透鏡,透鏡的彎曲度也應更小,但這樣一來光線的聚焦點就遠離了透鏡,結果是折射望遠鏡的放大倍數越大則望遠鏡的長度也就越長。到了大約1660年,望遠鏡的放大倍數已增加到50—100倍,與此同時,望遠鏡的長度也達到了荒謬的程度:最長竟超過45米,也就是相當于一個橄欖球場的—半長度了。

如此笨重的望遠鏡的確效果更好,但天文學家希望看到更多的細節,而這些望遠鏡依然無法消除彩虹色。接著,最偉大的科學巨匠之一伊薩克·牛頓開始著手解決這個難題。他關注的是光線本身。牛頓發現,白光其實是由所有不同顏色的光組成的,這些顏色共同構成了彩虹色。當白光透過一面玻璃棱鏡時它會折射分解成彩虹色,這就是天文學家碰到的透鏡望遠鏡難題的根源。于是牛頓想到:好了,我們必須全盤拋棄折射望遠鏡,因為它已到窮途末路,我要設計出新型望遠鏡,它不能使用透鏡。

牛頓在他的新型望遠鏡上使用的是鏡子,他堅信鏡子照樣能達到并超過折射望遠鏡的效果,這是因為當鏡面彎曲時一樣能讓光線聚焦。實際上,用這樣的鏡子聚焦陽光的確能點燃紙張。但鏡子和透鏡有一個本質的區別:光線從鏡子表面反射,而不是穿越鏡子,因而就避免了彩虹色。牛頓制作了一架小小的鏡面望遠鏡,其長度不到20厘米。他將一面直徑僅為3.8厘米的彎曲的鏡子安裝于望遠鏡鏡筒的底端,來自天宇的光線進入鏡筒,到達彎曲的鏡面并反射,接著再到達一個不彎曲的鏡面并反射,最終聚焦于目鏡。這么一架小小的鏡面望遠鏡,同長度超過120厘米的透鏡望遠鏡效果一樣好。

牛頓運用鏡子制作望遠鏡,一舉消除了彩虹色這個自伽利略時代以來一直困擾著望遠鏡的難題。今天,望遠鏡從分布于世界各地的天文臺望向太空。不斷擴展人類的宇宙視野,捕捉發射于幾十億年前并穿越我們所在宇宙的光線。所有這些望遠鏡都依賴于形狀完美的大型鏡子,而制造出這些鏡子是精密工程學的豐功偉績。

在美國亞利桑那大學的足球場的地面下深處,是一個高科技鏡子實驗室。在那里,玻璃塊在巨大的熔爐中于1100℃以上的高溫下被熔化,這一溫度相當于火山熔巖的溫度。接著,熾熱的玻璃液被旋進超光滑的彎曲碟子中。20噸重的碟形冷卻玻璃接下來被用直徑不到人發絲的粉末進行打磨,以制作精確的形狀。最終,覆上一層厚度僅為100納米的極薄的鋁膜,玻璃碟就變成了鏡子。亞利桑那大型雙筒望遠鏡的鏡面就是這樣制成的。其中每個鏡面的直徑超過8.5米,面積是牛頓制作的第一面鏡子的64000倍,能夠捕捉來自數十億光年距離以外的光線。

回溯到牛頓時代,要想制造形狀正好的大型鏡子真是難上加難。在牛頓之后100年,一個新的先驅重拾起牛頓的革命性設計,并將它加以革新。這個人就是英國單簧管演奏家兼業余天文學家威廉·赫歇爾。雖然身為音樂家和作曲家,赫歇爾的真正興趣卻在天文學,他有一個雄心壯志,就是使用大型的牛頓式鏡面望遠鏡望向更深的太空,要比所有前人都望得更遠。

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