天文知识普及讲座3

天文知识普及第三讲天文望远镜观天千里眼光学望远镜：折射式、反射式、折反射式射电望远镜红外望远镜紫外、X射线、伽玛射线望远镜望远镜的性能指标评价一架望远镜的好坏首先要看望远镜的光学性能，然后看它的机械性能的指向精度和跟踪精度是否优良。望远镜的光学性能指标，主要有六个参量:

有效口径相对口径(光力)

放大率贯穿本领(极限星等)

分辨本领视场

1）口径D

I∝πD2

物镜起集光作用的直径，口径越大收集的辐射越多越能观测到暗弱的天体。

口径愈大能收集的光量愈多，即聚光本领就愈强，口径愈大愈能观测到更暗弱的天体。因而，大口径显示着探测暗弱天体的威力大，这是因为望远镜接收到天体的光流量与物镜的有效面积（πr2）成正比。望远镜的作用（聚光、提高解析力）

望远镜功能与口径关系

望远镜口径极限星等可见一烛光距离分辨角分辨10厘米的距离

6毫米(人眼)6.512公里23秒0.9公里

2.16米22.52万公里0.5秒40公里

5米2610万公里0.2秒100公里

10米2825万公里0.1秒200公里*分辨率=14/D(厘米)角秒(D为望远镜口径)

望远镜口径越大,分辨率越高

2）相对口径A：

A=D／F

望远镜的光力也叫相对口径，即口径D和焦距F之比，A=D/F。光力的倒数叫焦比(1/A=F/D)。A的倒数叫焦比(F/D)。某望远镜的口径D=40cm,焦距F=4m,焦比为：F/10,则其光力A=1/10。

3）分辨角δ″：

δ

″＝1.22λ／D；

δ

″＝140／Dmm（λ=550nm）

分辨角：两天体的像刚刚能被分开时，它们所对应的天球上两点的角距离。

根据光的衍射原理，在望远镜通光孔径为圆孔的情况下，分辨角由如下公式确定δ″=1.22λ/D

目视望远镜最敏感的波长λ=550nm，望远镜的物镜口径D（mm）来计算，则有如下简化公式：

δ″=140″/D(mm)

某望远镜D=400mm,

δ″=140″/400=0.35″(理论值)

兴隆2.16m望远镜D=2160mm,

δ″=140″/2160=0.06″(理论值)

由于地球大气存在湍流影响加上望远镜的光学镜面会有像差，所以实际的分辨本领远低于理论值。

望远镜的口径越大,分辨本领越高,越能分辨天体的更细结构，则能观测更暗、更多的天体。Twocomparablybrightlightsourcesbecomeprogressivelyclearerwhenviewedatfinerandfinerangularresolution.DetailbecomesclearerintheAndromedaGalaxy(M31)astheangularresolutionisimprovedsome600times,from(a)10',to(b)1',(c)5",and(d)1".

4）放大倍率G：

目视望远镜的放大率等于物镜的焦距F1与目镜的焦距F2之比，即G=F1/F2

一架望远镜配备多个目镜，就可以获得不同的放大率。显然目镜的焦距越短可以获得越大的放大率。但这样并不好，小望远镜用过大的放大率，会使观测天体变得很暗，像变得模糊。常用的目镜的焦距为10mm左右，用它配在焦距800mm的望远镜物镜后面，就可获得80倍的放大率。5）视场ω：

tan(ω/2)=D/F

望远镜的成像良好区域所对应的天空角直径的范围叫望远镜的视场，用角度（ω°）表示，与放大率G成反比。

tanω=tanω’/G

（目镜望远镜）

ω’为目镜对应的角直径，称为目镜视场，G为放大率。不同的目镜有不同的ω’，如某望远镜配有三种目镜：

ω’为52°、ω’为67°、ω’为84°若采用常用ω’为52°,f=20mm的目镜，则G=4000/20=200ω=arctan(tan52/200)=22’若采用ω’为67°的目镜，f=9mm,ω=?若采用ω’为84°的目镜，f=4.7mm,ω=?

视场ω

望远镜若存在大的像差，视场边上的像很差，成像的良好区小，自然视场就小。对于星系或特殊天体的巡天观测必须要有大视场的望远镜，这样，一次观测就可以覆盖比较大的天区。施米特望远镜的焦距比较短，更主要的是它的光学系统的像差消得比较好，故它的视场ω可达十几度。一般反射望远镜的视场ω小于1度。6）极限星等（贯穿本领）m：

m=2.1+5logD

理想条件下，望远镜指向天顶能看到的最暗弱星的星等值。它反映了望远镜观测恒星方面的能力。当然，望远镜的口径越大，能观测越暗的天体。此外也与望远镜后接的探测器有关。对于照相观测或用电荷藕合器件CCD观测，由于有累积效应，在一定的时间范围内露光时间越长就能观测到越暗的星，望远镜的贯穿本领也越高。当然不能任意延长露光时间，因为延长到一定程度后，由于夜天光的作用也会导致贯穿本领的降低。所以配有照相机，光电倍增管，光电成像器件和CCD等探测器的天文望远镜，其贯穿本领不仅决定于天文望远镜本身，而且也和这些探测器的灵敏度有关。其贯穿本领必须根据望远镜和探测器的特性进行具体实测而定。对于目视望远镜,它的极限星等可以经验地用如下公式计算：

m=6.5+5logD/d+2.5logkd=6mm,k=0.6

则有,m=2.1+5logD世界第一台天文望远镜1609年伽利略发明天文望远镜,口径4厘米多，折射式。发现：月面环形山；木星4卫星；金星位相变化；太阳黑子及太阳自转；银河中的恒星。折射望远镜：用透镜作物镜的望远镜

1）伽利略式：正像，视场小。

2）开普勒式：视场大，反像。

物镜、目镜由不同折射率的光学玻璃复合成的。

1897年制造的1.02米（美国叶凯士天文台）的折射镜仍是世界之最。

评价优点：宽广的视野，高对比度和良好的清晰度，成像比较鲜明、锐利；简单的机械设计、高可靠性、使用方便。封闭的镜筒减弱了空气流动对成像质量的破坏，同时保护了光学镜头。缺点：有色差、价格昂贵、口径有限制。适用范围：适合巡天、观测行星、双星反射望远镜：用反射镜作物镜1）主焦点式：反射镜为抛物面2）牛顿式：反射镜为球面镜，加上平面镜3）卡赛格林式：主镜为抛物面镜，副镜为凸的双曲面镜4）R—C系统：凹双曲+凸双曲（主镜副镜都为双曲面）5）折轴式：加入几块平面镜使光束从极轴方向射出主焦点式反射镜为抛物面

牛顿式反射镜为球面镜卡塞格林式抛物面、凸的双曲面镜。折轴式评价优点：没有色差；能在广泛的可见光范围内记录天体发出的信息；且相对于折射望远镜比较容易制作；价格便宜；可以使用大口径材料，也可以使用多镜面拼镶技术。缺点：有彗差；视场小；有遮挡，反差小；物镜需要定期镀膜；开放式的镜筒产生空气对流现象，影像不稳定。适用范围：观测深空天体、行星。目前设计和建造的大口径望远镜都是采用的反射系统。赫歇尔的“大炮”1786年完成口径122厘米反射望远镜罗斯伯爵的“城堡”（1845年）

反射望远镜，口径184厘米，镜筒17米海尔5m望远镜夏威夷山頂上的凱克望遠鏡凯克望远镜

主镜由36块小镜面拼接而成，每块小镜面都为六角形，口径1.8米，厚7.6厘米，重400千克。这样，整个主镜重不到18吨。卡塞格林式凯克望远镜I和II分别安装在这两个大油罐形的圆顶里日本的8.3m昴星团(Subaru)望远镜

单镜面

折反射望远镜：在反射镜的基础上在入口处加一块称为修正镜的透镜。1）施密特式：球面反射镜+复杂的折射改正透镜。2）马克苏托夫式：

球面反射镜+弯月形折射改正透镜。

折反射望远镜施密特望远镜施密特-卡塞格林望远镜马克苏托夫-卡塞格林望远镜

施密特望远镜是折反射系统，系统中的主镜为一个球面反射镜，在球心处，物镜的前面还配置了一个改正透镜，用以改正反射镜的像差。这种系统是一个可以得到大视场的优质成像系统。一般施密特望远镜有效视场可达5度。

MeadeLX200望远镜即为施密特-卡塞格林望远镜评价优点：折反射式望远镜能兼顾折射和反射两种望远镜的优点。光力强、视场大、象差小；容易保养。缺点：有场曲；镜筒封闭，热平衡时间长；遮挡率较高，反差小。适用范围：适于巡天、深空、行星的业余天文观测和摄影。像差

一般折射鏡

ED折射鏡

反射鏡

折反射鏡

色差 顯著 輕微 沒有 沒有 球面像差*輕微 輕微 輕微 輕微 彗形像差輕微 輕微 顯著 輕微 場曲 輕微 輕微 輕微 顯著 面临的技术难题1，镜面加工精度：1/20波长2，反射镜自重、温度变化和风力引起的变形3，地球大气扰动引起星光的抖动

从1929年海尔5米望远镜建成后，独霸半个世纪。什么原因？口径大于5米的望远镜（8－40米）将面临如下技术瓶颈！現代的觀測技術孔徑合成(aperturesynthesis)

多台小型望遠鏡擺成好似一巨型望遠鏡的形狀→干涉儀(interferometer)成破碎的像θ～λ/d

此處d

為望遠鏡陣列的最大距離好處：小望遠鏡製造容易；較經濟個別望遠鏡位置可以改變→較完整的像可以（逐次）添加望遠鏡個數→較完整的像可以拉長d，增加解像力主動式光學(activeoptics)

修正如溫差、機械造成的變形自適應光學(adaptiveoptics)

即時調整光學系統（例如讓主鏡變形）以抵銷大氣擾動造成的影像變形解决途径被动光学：光学玻璃的冷加工以及磨光技术的改进；坚实的结构和玻璃被用来消除由于重力造成的透镜变形；低膨胀系数的玻璃来消除温度所造成的影响；为了消除当地温度的影响，发动机和电子器件的热耗散在夜晚被减到最小；同时用来保护望远镜免受风吹造成震动的圆顶在白天得到冷却。主动光学：在观测过程中实时自动地用内置光学修正部件调整像质的方法：在望远镜的主镜背后安装上百个促动器，在观测过程中不断地检测镜面因为重力、风力、温度等因素而发生的形变，然后通过促动器来矫正镜子的形状从而弥补非期望的形变，将镜面的形状保持在最佳状态上。这些修正部件工作在相对较低的频率（≤0.05Hz）。昴星团望远镜背面的促动器阵列

自适应光学：自适应光学是依照大气湍动情况调整反射镜面形，以改正出射波前，而非将面形保持在最佳状态上。使用自适应光学后，望远镜的分辨率可以提高10倍以上。自适应光学系统必须通过分析有限的数据在每一短暂的毫秒内做出新的修正，修正部件工作在相对主动光学更高的频率。地面觀測的限制地球大氣擾動造成星光晃動，所以解析度有限制。地球大氣將一些光給散射掉，造成星光亮度減弱。天氣的限制人類都市化造成的光害地球大氣吸收了一些電磁波的波段解決地面觀測限制的方法在高山上建立天文台發射太空望遠鏡到大氣層以外進行觀測世界光害圖台灣都市鄉村大氣擾動的效應地面望遠鏡的影像哈勃望遠鏡的影像哈勃太空望遠鏡不受大氣擾動影響，可以有較好的解析度位於夏威夷山頂上的天文台群位於夏威夷莫拉基亞山山頂的次毫米波陣列（其中兩架是台灣中研院的）各類電磁波段什麼是大氣窗口?不同波段下的太陽影像以各種波段拍攝的NGC1515星系的中央核心區SpaceObservatoriesHubbleChandraWMAPSpitzerGalexCompton觀測紅外線（左）及紫外線（右）波段的太空望遠鏡觀測X射線的太空望遠鏡觀測伽瑪射線的太空望遠鏡最大空间望远镜

哈勃太空望远镜口径=2.4米下一代太空望远镜NGST

口径=10米

能探测到的宇宙空间是海尔望远镜的350倍。海尔镜23等星，哈勃镜29等星。可观测到140亿光年之远的天体。哈勃镜的分辨率可达0.1角秒，而地面上的观测最高只有1角秒，空间望远镜所提供的图象清晰度是地面观测的10倍。

哈勃空间望远镜的特性HubbleTechnologySpacecraftSystems

Hubble’sSpacecraftSystems–theOTA

HubbleTechnologyMirrorandBaffles

KECKCourtesy:L.SromovskyHUBBLESPACETELESCOPETheScienceofHubble

ItisnotevenremotelypossibletocoverallthesciencethatHubblehasdoneinasinglepresentation.TensofthousandsofpapersandhundredsofbookshavebeenwrittenbasedonHSTdata,andeverydaygenerates20GBofdata.Astronomerswillbeminingthisresourceforgenerationstocome.

射电望遠鏡成像原理圖片來源：龍騰版基礎地球科學第十章RadioObservatoriesAricebo中国天眼——FAST美國VLA(VeryLargeArray)望遠鏡陣列最大光学望远镜望远镜名称口径国家天文台VLT(VeryLargeTelescope)4x8.2m欧欧南台2001KeckIandII2x8.4m美凯克1991/6LBT(largeBinocularTelescope)2x8.4m意阿策特利2004GTC(GranTelescopioCanaries)10.4m西穆萨可斯2002HET(Hobby-EberlyTelescope)9.1m美德麦唐纳1997SALT(SouthernAfricanLargeTelescope)9.1m南非2003SubaruTelescope8.2m日国立1999GeminiTelescope2x8.1m美双子1999/2001

未来世界大望远镜CELT加州超大望远镜30米美里克天文台GSMT巨型拼嵌望远镜30米美麦克唐纳ELT超大望远镜50米瑞典伦德天文台MAXAT极大口径望远镜50米美国立天文台OWL超凡望远镜100米欧南台

VLT(ESO1986-2000)4X8.2米,F/1.8径厚比46RCF/13.6指向精度1”，跟踪精度0.05”干涉基线202米LBT（意、美、德）8.4米

11.8米

22.8米熔石英轻量化主镜F/1.142系统焦比F/15TMT目前处于初步设计的最后阶段（2009.3完成），2010年开始建设，2018年开光大视场的R-C系统，地平式支架，主镜口径30米，F/1,由492块1.45米子镜组成系统焦比F/15,FOV20'台址：Chile'sAtacamaDesertDistantGalaxies–TMT+AOCredit:M.BolteM.BolteHubbleDeepFieldHubbleResolutionTMTResolutionwithAdaptiveOpticsE-ELT口径42米，约1000块直径1.4米的子镜组成，副镜6米视场10’，五镜系统智利中国光学望远镜

名称与口径天文台地点2.16米望远镜国家天文台(总