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探索四百年,巨眼问苍穹(三)

五、玻璃镜子反射望远镜的光芒

在许多方面,反射望远镜是最理想的仪器,比最受欢迎的望远镜更容易建造,也更便宜。但反射器有一个主要问题:金属镜。

随着时间的推移,望远镜的锡和铜镜会变得暗淡,反射的光线越来越少。除非望远镜有一个可以移动的后视镜,否则观察会停止,直到镜子被抛光。

即使在早期的望远镜里,玻璃镜也有金属的支撑——就像通常在家里发现的镜子一样——被制造和使用。但是这些镜子不能在望远镜里工作。当光线穿过玻璃时,光线会弯曲,从金属背面反射回来,再次穿过玻璃,模糊了图像。

一个优越的镜子

在19世纪50年代,一位名叫尤斯图斯·冯·李比希(JustusvonLiebig,有机化学之父、肥料工业之父)的德国化学家制造了一种新型的镜子。他利用一种新发现的化学反应,用一层薄薄的银薄膜覆盖在一块玻璃的表面。银可以很容易地抛光来制造一面镜子。

1856年和1857年,德国天文学家卡尔·冯·施泰因希尔和法国医生里昂·福柯发现,李比希的方法对于望远镜镜来说是完美的。以前,用银来制作望远镜太贵了,但是这种化学技术用的很少,所以成本不再是问题。现在,天文学家有了一种便宜的、重量轻的玻璃镜子,反射的光线比金属镜反射的光线多50%。银器仍然生锈了,但是更换银涂层比打磨金属镜更容易。

福柯也想出了一个更好的方法来测试镜子的形状。这个测试很像早期反射器的制造者所使用的方法,但是非常精确。把镜子磨成正确的形状就容易多了。

天空的极限

现在天文学家们可以制造出巨大的镜子,他们开始计划并制造出直径达200英寸的巨型望远镜。早期反射望远镜的经验告诉他们大气扭曲会影响观测结果。城市的灯光和工厂产生的污染也阻碍了人们的观看。

所有这一切意味着望远镜的位置几乎和镜子的大小一样重要。为了避免这些障碍,天文学家开始在高山上建造这些巨大的望远镜,在那里空气稀薄,大气扭曲造成的闪烁效应减弱,城市的灯光和污染也很遥远。

想象这样一幅图景

摄影是促使天文学家将望远镜移到高处的另一个因素。摄影术使天文学家能够在不画出他们所看到的一切的情况下,创造出快速准确的观测记录。它还为天文学家提供了一种观测对象的方法,这些物体太微弱了,肉眼看不到,甚至用巨大的望远镜也无法观测到人类的眼睛。

无论一个人通过目镜凝视天空多长时间,他都无法看到星星因他的视力而昏厥。但是一张照片记录了它所接触到的所有光线,无论它多么微弱。即使是一盏太暗的光线,如果曝光时间足够长,它也会最终成为一个标志。

天文学家发现,如果他们把望远镜移到遥远的山顶,那里的天空是如此的黑暗,唯一的光来自天空,摄影将会显示出微弱的星星和肉眼无法看到的天体。最终,所有的望远镜都会使用摄影术。今天的研究望远镜没有目镜,只有照相机和仪器。

照相机并不是改变望远镜的唯一技术。天文学家们开始在他们的旧望远镜中加入新的科学仪器。不久他们就开始用仪器建造新的望远镜。这些仪器被设计用来分解恒星和行星的光,这样天文学家就可以进一步分析它。不久,望远镜的仪器的质量就和它收集光的能力和分辨率一样重要。

望远镜开始像天文学家今天使用的一样,但障碍仍然存在。虽然山顶上的大气变形比城市少,但仍然足以造成模糊。模糊图像的解决方案将不得不等待技术的又一次飞跃。

天文学家们用玻璃代替金属制作望远镜,使反射望远镜更强大更容易使用。他们开始依靠摄影和仪器来记录观测结果。

60英寸反射望远镜更加复杂

乔治·w·里奇在大学的时候就做了第一个反射望远镜。他继续使用望远镜,既创造了镜子,又使现有的望远镜适应了摄影。

他的专业技术使天文学家乔治·埃勒里·海耳选择他设计的60英寸反射望远镜在威尔逊山天文台。

好先生

首先,里奇制造了一台磨碎玻璃镜的机器。这台机器将铸铁磨具、水和一种新型研磨材料——金刚砂磨碎,几乎和金刚石一样硬,研磨抛光60英寸的玻璃盘。

里奇非常小心地将灰尘从抛光车间里清除出去,知道在研磨和抛光过程中,圆盘表面的灰尘会影响到它的形状。他给墙壁和天花板涂上了漆,把水泥地板弄湿了。他封好窗户,让进来的空气过滤。他在镜子上放了一块帆布,以保护它的表面不被落下的粒子所覆盖。只有眼镜商,穿着外科手术帽和长袍,才被允许进入他的屋内。里奇超前于他的时代:今天重要的望远镜部件通常是在特殊的无尘环境中制造的,称为洁净室。

烫手山芋

里奇也小心翼翼地保护成品镜面不受温度变化的影响,因为温度的变化会导致玻璃膨胀和收缩。里奇用帆布罩和毯子盖住了圆顶。当气温上升时,百叶窗几乎是密封的,白天保持关闭。

万全之策

该望远镜于1908年完工,设计用于许多不同的用途。乔治·w·里奇介绍了“Coude系统”——一种将望远镜外的光线偏转到与管子相连的仪器的新方法。这使天文学家们得以在许多仪器中选择来分析光。该望远镜被用于摄影和光谱学,使用照相机和分光镜。在未来,许多大型反射器遵循了乔治·w·里奇的例子,并且采用了类似的灵活设计。事实上,你可以说60英寸的反射望远镜是第一个现代望远镜。

一个被拒绝的玻璃碎片和一个强大的望远镜的关

位于美国加州威尔逊山天文台的60英寸望远镜是巨大的,但它还不够大,不足以适合天文学家乔治·埃勒里·海耳。海耳想要一个能收集更多光线的望远镜。因此,即使60英寸的反射望远镜正在建造中,海耳也在寻找一个装有100英寸反射镜的反射镜的资金。

他在洛杉矶发现了商人约翰·d·胡克的名字,约翰·d·胡克想把自己的名字附加到有史以来最大的望远镜上。

辛苦和麻烦

只有一家玻璃制造商愿意尝试制造100英寸的玻璃镜——这家法国公司为60英寸的反射镜提供了玻璃。这种不情愿并不是没有原因的:当100英寸的玻璃镜在1908年制作完成时,天文学家认为它毫无价值。它充满了气泡,有些玻璃已经结晶了——这意味着它可能无法忍受把它变成镜子所需的研磨和抛光。

玻璃工厂建造了一个新的熔炉和烤箱,并不断尝试,但是没有一个圆盘看起来像望远镜的质量。第一次世界大战爆发了,实验停止了。现在,没有人有时间做巨型玻璃镜。

海耳在每一个回合中都失败了,回到了第一个玻璃盘。他认为,这些气泡可能不够接近地表,从而影响它。海耳接受了玻璃测试,他的研究人员报告说,气泡实际上可能会强化玻璃。

海耳把制作玻璃镜的目标转到了望远镜制造商和天文学家乔治·w·里奇身上。里奇和他的团队,在他们所依赖的60英寸望远镜所依赖的环境中工作,用了5年时间把玻璃盘变成了一面镜子。

纪录的创造者

这个庞然大物一旦安装完毕,整个望远镜就重达100吨。这台望远镜可以像60英寸那样调整成像和光谱学。望远镜的所有运动及其穹顶和百叶窗都由30个电机控制。然而,这种大镜子的缺点之一是,它花了很长时间才适应了天文台的温度。温度的变化会使玻璃的膨胀和收缩,导致镜面改变形状,失去焦距和图像质量,这就意味着观测是困难的,直到它稳定下来。

▲1945年12月,在加州理工学院光学商店,一面5米(16英尺8英寸)高的镜子在第二次世界大战后重新开始磨削。镜子背面的蜂窝状支撑结构透过表面是可见的。

当它在1918年完工时,它成为了世界上最大的望远镜,这个位置已经被罗斯勋爵的“利维坦”保持了75年。

胡克望远镜,它的巨大的镜子的光收集能力,将首次揭示宇宙的真正浩瀚。

天文学家的最终望远镜实现了一个长久以来的梦想

美国天文学家乔治·埃勒里·海耳应该退休了。但是,当有更多的东西可以看到的时候,当面对遥远星系的奇异景象触手可及的时候,为什么要停下来?早在1928年,海耳就开始再次筹集资金,这一次,他的望远镜里有一个200英寸的玻璃镜。

他组建了一支由天文学家、技术人员和工程师组成的团队。他们打算建造的玻璃镜子比以前任何一个玻璃镜都要大、重。该研究小组从以前的望远镜中得知,即使是很小的温度变化也会使玻璃膨胀和收缩,从而导致反射镜的变化,当望远镜被使用时,它会扭曲视图。

因此,他们放弃了普通的玻璃,转而考虑其他材料——不锈钢、复合金属、熔融石英,以及在纽约康宁生产的一种新型玻璃。派热克斯玻璃。

坚如磐石

首先,这个团队尝试了融合石英,这比玻璃更硬,更难以划伤,而且光亮。最重要的是,当温度变化时,它几乎不会膨胀或收缩。

但是石英太容易形成气泡,在磨削过程中会使玻璃的表面凹进去,而任何人所能做的最好的就是一个66英寸的圆盘。在1934年,研究小组求助于Pyrex,通常用于制造ovenware。熔融的Pyrex并没有出现严重的泡沫。而且,一旦凝固,耐热玻璃在温度变化时膨胀和收缩比普通玻璃小。

研究小组用一种全新的方式铸造了Pyrex玻璃镜。他们没有用一个坚固的玻璃圆柱体,而是把熔化的玻璃倒入一个模子里,这个模子在盘的背面形成了一个肋状结构。圆盘的厚度只有一块坚硬的玻璃的一半,重量也要轻得多,但它却使它坚固。由于玻璃很薄,它可以更快地适应空气的温度,减少变形。

冷却

玻璃被允许在10个月后慢慢冷却,以避免气泡和瑕疵。然后,这个玻璃镜被从纽约的康宁寄出。来到加州帕洛玛山的新家,海耳原本想把望远镜安装在威尔逊山上,但这一地区已经发生了变化。来自洛杉矶郊区的光和污染将会很可怕,因为需要长时间的曝光来拍摄遥远的星系。该团队认为,帕洛玛山是一个恶劣的偏远地区,不太可能吸引建造者。

火车载着玻璃盘,时速不超过25英里,只在白天行驶。它必须走一条避开隧道、桥梁和立交桥的路线,因为17英尺高的玻璃货物无法在狭窄的空间里安装。好奇的人们聚集在一起观看玻璃镜的旅程,参与制作和运输玻璃镜的公司利用这种兴奋做了一回非常有效的广告。

梦想成真

海耳尔看着玻璃镜来到了加利福尼亚,并体验到了一种敬畏的感觉,那就是这个巨大的玻璃镜中央的孔与他第一个伟大的项目——40英寸的耶克斯折射望远镜的透镜的大小是一样的。他写道:“在1897年,在耶尔克斯天文台,我清晰地回忆起40英寸(主镜)的到来,没有其他的尺度表能让我更震惊。”

除了镜子外,所有的望远镜部件都在1941年准备就绪,就像望远镜的圆顶一样。但是后来美国进入了第二次世界大战。玻璃镜的工作陷入停顿,而工业则把注意力集中在与战争有关的工作上。它必须被储存起来,直到1947年,玻璃镜才最终变成了一面镜子,并把它放进了望远镜里。镜子上涂了一层铝,这是一种不像银一样的材料。然而,每隔一段时间,镜子都需要重新涂一层,以保持光泽。

海耳永远不会看到这个完成的反射望远镜。他于1938年去世。为了纪念他那无穷无尽的工作、耐心的领导和专注的愿景,这个至今仍在使用的强大的望远镜,以他的名字命名。

名词解释:光污染

光污染影响许多种类的望远镜

当来自人造光源的电磁辐射干扰我们对天空中物体的看法时,就会产生光污染。举个例子,如果你从一个城市里仰望夜空,你就不会看到很多星星。这是因为你周围的电灯把昏暗的星星的光淹没了。

光学望远镜

我们只用光学望远镜,在夜间观察可见光。白天,太阳发出的耀眼的光,被地球的大气散射,淹没了恒星的光。

当我们试图在城市附近观看夜空时,也会出现类似的问题。耀眼的城市灯光把所有的星星都淹没了。最好的光学望远镜远离城市的光污染,通常在山顶。

人们可以通过关掉不必要的户外灯来减少可见的光污染,并使用廉价的盾牌将光指向地面,而不是天空。

红外望远镜

红外望远镜寻找红外辐射,人类认为它是热的。为了做出准确的观测,这些望远镜必须避开所有其他热源。因为望远镜本身会散发热量,所以它们都是用冷却剂包装的,这些冷却剂能使设备尽可能的寒冷。

射电望远镜

射电望远镜寻找无线电波。它们可以在白天使用,因为太阳只发出微弱的无线电波。

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