Question

【反射望远镜的发展历程(五)】 望远镜的发展历程

Answer 1

　　海尔的故事――“大玩具”改变天文学 　　 　　尽管折射望远镜主宰了19世纪的大部分时间，但是反射望远镜却给20世纪上半叶的天文学带来革命性变化，这主要归功于能让百万富翁掏钱的、制造光学望远镜的奇才――著名天文学家乔治・埃勒里海尔(George Ellery Hale，1868～1938)。
　　1868年6月29日，海尔诞生于美国芝加哥，父亲是电梯制造商，因工艺精湛，产品畅销全国并远销欧洲。受父亲的影响，海尔从小就对机器、工具有着难以自拔的兴趣，他总是把自己的房间搞得像个小工厂一样。有一年圣诞节，父亲送给他的礼物竟然是一架小小的显微镜，这成了他的最爱。母亲是一位很有文化品位的女性，她启发了海尔对文学和诗歌的兴趣。童年的这些经历对海尔的人生产生了很大的影响，要知道他成年后策划建造的那些“大玩具”彻底改变了天文学的面貌。
　　海尔1890年毕业于麻省理工学院，1892年任芝加哥大学天体物理学副教授，开始组建叶凯士天文台，任台长。1904年筹组威尔逊山太阳观象台，即后来的威尔逊山天文台，他任首任台长，直至1923年因病退休。1895年他创办《天体物理学杂志》。1899年当选为新成立的美国天文学与天体物理学会(1914年易名为美国天文学会)副会长。
　　海尔一生最主要的功绩是他连续制造了直径153米、2.54米和5.08米三架大型反射望远镜。这三架反射望远镜，不仅由于物镜由原来的金属材料改为用玻璃材料镀银或者镀铝制作，因而既避免了金属生锈，又提高了镜面的反射率；更为重要的是因为它们整体的现代化程度使它们操作起来非常方便灵活。直至今天，它们仍然在天文学的观测工作中发挥作用。
　　
　　威尔逊山的1.53米反射望远镜
　　
　　1896年，海尔的父亲送了他一块1.53米的玻璃镜坯，有18.98厘米厚，重860千克，这是他父亲花25000美元从巴黎买回。海尔选择了海拔1800米的威尔逊山，因为那里的条件很适合天文观测，但一直到1904年他才获得卡内基基金会的赠款，来建造一座天文台。1905年望远镜镜面开始研磨，这个工程一共持续了两年。望远镜的构架是在旧金山建造的，1906年的大地震中它几乎被毁。将这些材料和零件运送到威尔逊山是一个艰巨的任务。为了将它们运到山顶还建造了一台专门的电气拖拉机。
　　1908年12月8日这架望远镜正式启用。只有罗斯伯爵的“列维利亚”比它更大，但实际上无法与之媲美。考虑到威尔逊山的大气宁静度极佳，新望远镜使用起来又很方便；虽然罗斯的镜子大，聚光率大1.5倍，但是这一点已经算不了什么了。新望远镜比起“列维利亚”来简直优越得无可比拟。实际上，它确实是直到那时为止最有用的望远镜。用这架望远镜曝光4小时，即可拍摄到暗至20等的恒星，而所得到的恒星光谱也空前清晰。
　　这里要特别说明的是，美国光学家、望远镜制造家和天文学家乔治威利斯・里奇(George Willis Ritchey，1864～1945)对此望远镜的建造起了至关重要的作用。他承担了反射镜的磨制工作，第一个使用金刚砂(碳化硅)磨镜片，此种砂非常坚硬，其切削能力是以前磨镜用的刚玉砂的6倍。他又采取了很不寻常的保护措施，使磨镜室无尘而恒温。因此，制作出了误差不超过百万分之二英寸的光亮镜片。
　　里奇还设计了一种新颖的折轴光路系统，能够在望远镜之外成像，这样沉重的仪器不必再安装在望远镜的镜筒上，使得天文学家能够自由地选择合适的设备来分析星光。这架望远镜可以使用相机或光谱仪来做照相和光谱学观测。后来的许多大型望远镜都参照此架望远镜，设计成非常灵活的形式。事实上可以认为，这架1.53米望远镜是第一台现代的天文望远镜。
　　1914年美国天文学家沃尔特・亚当斯(Walter Sydney Adams，1876～1956)用此反射望远镜连接上光谱仪，拍摄到了天狼星那颗暗弱小伴星的光谱，这是人类首次拍摄到白矮星的光谱，为揭示白矮星身世的秘密提供了有力的观测依据。
　　1992年此望远镜上安装了一台早期的自适应光学设施，使它的分辨本领从0.5～1.0角秒提高到0.07角秒，从而重新焕发出了青春。
　　
　　让“列维利亚”相形见绌的胡克望远镜
　　
　　威尔逊山上的1.53米反射镜虽然很大，但仍无法满足海尔的雄心。他希望能有一架威力更大的望远镜。于是当1.53米反射镜尚在制造时，海尔就已经开始为2.54米望远镜筹措资金了。他成功地找到一位赞助人――洛杉矶的商人约翰・胡克(John D Hooker)，此人希望能以自己的名字命名一架有史以来最大的望远镜。
　　只有一家玻璃制造商，就是曾为1.53米望远镜提供镜坯的那家法国公司，敢于尝试铸造一块2.54米直径的巨大镜坯。这的确是一次冒险，当1908年铸造好的玻璃镜坯抵达时，天文学家无疑认为这只是一块废品：玻璃内部净是气泡，部分玻璃还呈结晶状――这意味着这块镜子很可能根本经受不住研磨和抛光的加工过程。
　　玻璃厂又建造了新的熔炉并继续尝试，但到最后也没有制出一块符合望远镜质量要求的镜坯。第一次世界大战爆发，工程停顿下来，没人有时间再管这件事了。
　　经过这一连串的挫折，海尔又开始回头审视第一块镜坯。最终认定这些气泡离表面不太近，可能不会影响磨成的镜面。海尔又让他的助手们对镜坯进行了测试，结果发现这些气泡甚至可能会增强玻璃的强度。
　　海尔把这块镜坯再次交到了乔治・威利斯里奇手中，后者又花了五年的时间，在与1.53米望远镜同样严格仔细控制的环境中磨制成功。
　　这是一架如此出色的望远镜!它的总重达到了100吨，并像1.53米反射望远镜一样可以进行照相和光谱观测。圆顶、天窗和望远镜的所有运动由30只电动机完成。
　　这架望远镜于1917年11月1日开始使用，它代替了保持冠军头衔达75年之久的罗斯伯爵的“列维利亚”，成为当时世界上最大的望远镜。胡克望远镜凭借着它的巨大的聚光力，第一次将浩瀚的宇宙展现在人们的眼前，它功勋卓著，其中最伟大的贡献就是在结束沙普利柯蒂斯大辩论上发挥了至关重要的作用。
　　
　　沙普利―柯蒂斯大辩论
　　
　　早在18世纪，人们在夜晚的天空中发现了模糊的延伸天体，最初称为星云(Nebulae)。旋涡星云成为最早的研究对象。托马斯赖特(Thomas Wright，1711～1786)和康德(ImmanuelKant，1724～1804)曾提出，旋涡星云可能是如我们银河系一样的恒星系统。旋涡星云是银河系之外的恒星系统，这一思想就是著名的“岛宇宙假说”。
　　在1914年初，美国天文学家哈罗沙普利(Harlow Shapley，1885～1972)开始对球状星团进行系列的研究，他观察星团中的造父变星，并利用其周期一光度关系，估计距离。他使用威尔逊山上的1.53米反射镜去研究一些最著名的球状星团的距离，1918年沙普利公布了他的研究结果：球状星团形成一种密集在银河系内的星团，这就是银河系的中心，它在人马座方向，太阳并不在银河系的中心，而是离开中心约有5万光年。自18世纪以后，包括威廉・赫歇尔等著名天文学家都把太阳当作银河系的中心，沙普利否定了这一传统看法，意义非比寻常，有人把它和哥白尼将地球赶出太阳系的中心相提并论。
　　沙普利又大胆估算银河系的范围是30万光年(后来的研究证明这个数据是被夸大了，如果去除星际消光效应，银河系的直径只有10万光年)，这比当时任何人想象的都大，而且银河系包括了整个宇宙。这就是说，旋涡星云不是“岛宇宙”，而是银河系内的天体。
　　另一方面乔治・威利斯・里奇于1917年在星云NGC 6946中发现了一颗15等的新星。随后美国另一位天文学家希伯・柯蒂斯(Heber Doust Curtis，1872-1942)在星云NGC4321中找到了一颗，在NGC4321中找到两颗。在里奇宣布的新发现之后两个月，天文学家共找到11颗新星，其中有三颗属于仙女座大星云。在此基础上柯蒂斯果断地迈出了决定性的一步，估计仙女座大星云距离是100万光年，后来缩减为50光年。这样就得出来仙女座大星云为河外星系的结论。
　　为了对这一针锋相对争论展开更广泛的讨论，由时任威尔逊山天文台台长的海尔发起，于1920年4月26日，美国国家科学院在华盛顿的国家自然历史博物馆举办的一场著名的辩论会。沙普利和柯蒂斯作为对立的双方代表，展开了面对面的论战，这就是天文学史上有名的沙普利柯蒂斯大辩论。这场辩论，虽然双方各自据理力争，但并未决出胜负。