未来的望远镜,能带我们看到宇宙大爆炸的边缘吗?
2020-06-17 18:00

未来的望远镜,能带我们看到宇宙大爆炸的边缘吗?

本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:胡平(中国科学院光电技术研究所),题图来自:电影《超时空接触》


时间的开始,宇宙的起源;生命从何而来,又向何处去?我们是否是宇宙中唯一的智慧生命?外星人存在吗?如果存在他们又在哪儿呢?占宇宙质量绝大部分的暗物质和暗能量,它们的本质是什么?古往今来,人们孜孜不倦地思考着这些问题。这些问题的研究和突破依赖于已历经四百年发展进步、不断壮大的天文望远镜。


哈勃望远镜拍摄的宇宙珊瑚(图片来源:NASA)


望远镜的诞生:为科学献身的伽利略


古人的智慧是伟大的,早在东汉时期,天文学家张衡就发明了世界上最早的天文望远镜—浑天仪;元代天文学家郭守敬1276年创制简仪,是最早的赤道经纬仪。而现代光学天文观测从何而起呢?


浑天仪(图片来源:veer)


简仪(图片来源:中国数字博物馆)


1608年,荷兰眼镜商Hnas Lippershey偶然发现凹透镜和凸透镜组合可以看清远处的景物,制成了第一架望远镜。但当时并没有用于天文观测,而是作为舰队军事装备。


望远镜用于舰队军事(图片来源:加勒比海盗剧照)


伽利略望远镜(图片来源:veer)


1609年,意大利科学家伽利略研制出第一台应用于天文观测的光学望远镜,发现望远镜具有增加聚光能力和放大视角的作用。最初他制作的简易望远镜只能放大3倍,经过几个月的改进,伽利略制成了可放大32倍的望远镜。


伽利略马上用这个望远镜去观测天体。他用这个划时代的天文仪器观测到一些令人惊奇的现象:夺目的太阳上竟然有黑子;月亮上有的地方平原千里,有的地方却高山耸峙;木星有四个小卫星围绕它旋转,而且它们的位置是经常变化的,就像月亮围绕地球旋转一样。


后来,伽利略还发现了金星的相,从而证明金星是绕太阳运行的,银河系是由许多的恒星组成的。于是伽利略坚定了对地动说的信念。这一系列发现轰动了欧洲。由于他坚持捍卫哥白尼的日心说,1633年,教会把年迈的伽利略召到罗马进行审判,并判有罪,关进了监狱。直到1979年才平反和重审!


伽利略望远镜原理图 (图片来源:维基百科)


开普勒望远镜原理图(图片来源:《光学》赵凯华,钟锡华编著)


伽利略望远镜问世后不久后的1611年,德国科学家开普勒发明了物镜和目镜均采用凸透镜的另一种折射式望远镜。这种望远镜目镜在物镜焦点之后,可以放置十字丝。由于不同的光在介质中有着不同的折射率,折射望远镜不可避免的存在色差。


十七世纪,解决色差的办法是把焦距加长:物镜焦距越长,光线的折射角越小,色差也越少,当焦距足够长时,色差就变得可以忽略了。然而,焦距决定镜筒长度,使得当时最长的望远镜长达45米。这便是早期的透射式光学望远镜


望远镜的发展:大口径反射式望远镜时代


既然透射式望远镜有许多不足之处,那么有没有更好的光学结构呢?1663年,英国的数学家James Gregory设计了格里高利望远镜系统,这种系统的望远镜具有先进的设计理念,可消除球差(球差是球面反射镜(折射镜)作为主镜时,它对光线的成像作用与标准抛物面反射镜相比的差距造成的单色像差),没有色差(色差:用白光进行成像时,通过透镜的不同色光有不同折射率,呈现出因不同色光的光路差别而引起的像差)。主镜为抛物面反射镜,次镜为椭球面,位于主焦点之后,可设置视场光阑。但受加工和检测水平的限制,该望远镜当时并未成功研制。


左上:反射式光路 左下:牛顿式光路 右上:施密特-卡塞格林式 右下:马克苏托夫-卡塞格林式(图片来源:新浪网)


约五年后,1668年,牛顿设计并制作了第一台反射式望远镜,球面主镜口径为2.5cm,镜筒长15cm,采用45°反射镜将焦点移出镜筒便于观测;其特点为视场小,轴外彗差大,体积大。


4年后,1672年法国科学家 G. D. Cassegrain提出卡塞格林望远镜方案,与格林高利方案类似,但镜筒更短。卡塞格林望远镜是现代天文观测的基石,也出现多种不同用途的变种。采用凹抛物面主镜和凸双曲面次镜,主镜中心穿孔以让光线通过而到达目镜、照相机或感光器材。特点为成像视场较大、球差校正较好、放大倍率大。


近代以来,大口径光学望远镜的发展才真正意义上将反射式望远镜和透射式望远镜彻底分开,并占据统治地位。天文学是一门观测科学,科学需求随着观测水平和技术的发展不断提高,大口径是获取更高集光能力、更高空间分辨率、更高时间分辨率和光谱分辨率的永恒追求。反射式大口径望远镜同透射式大口径望远镜相比具有无色差、对材料均匀性要求低、重量较轻、尺寸相对很小、结构简单容易运行和维护等优势。


1917年建立的100寸胡克望远镜第一次揭示了银河系的真实大小。70年代4~6米级反射式望远镜出现了井喷式发展。目前世界上最大的反射式光学望远镜是位于夏威夷岛上的keck望远镜,口径达10米。而正在研制的GMT望远镜和TMT望远镜口径分别达到了22米和30米。



上:Keck望远镜 下:GMT望远镜(图片来源:SPIE)


当然,在望远镜的大家族里,并不只有光学望远镜,还有我们常听说的射电望远镜。射电望远镜的原理与反射式光学望远镜相似,入射的电磁波被反射镜面反射后,同相到达公共焦点。用旋转抛物面作镜面易于实现同相聚焦,因而,我们看到的射电望远镜镜面往往是抛物面。由焦点处的定向天线收集来自宇宙的射电辐射,接收机将这些信号加工、转化为可供记录、显示的形式,最后进行后期分析处理。


射电望远镜(图片来源:veer)


FAST射电望远镜(图片来源:新华网)


不论是光学望远镜,还是射电望远镜;在未来,更大口径依然是望远镜的发展趋势。同时也在寻求更好的平台,如空间、月球、其他星系等。


“大型望远镜对于天体物理和天文学就像运算速度对于计算机那么重要,我们想直接看到宇宙大爆炸的边缘,我们想直接看到环绕其他恒星的星球。我们需要更大的望远镜。”——丹·丁尔(NASA)


望远镜的未来:以天之语,解物之道


天文学家在宇宙观测时获取信息的通道有:电磁波(Electromagnetic waves)宇宙线(Cosmic rays )中微子(Neutrinos)引力波(Gravitational waves)。而其中电磁波又是获取信息的主要通道。


当前,天体物理提出了很多重要问题。“两暗、一黑、三起源”(两暗—暗能量、暗物质, 一黑—黑洞及致密天体, 三起源—宇宙起源、天体起源、生命起源)是当今亟待解决的重大核心天文和物理问题,这一过程将驱动天文学进入一个新的跨越发展期。


黑洞照片(图片来源:Veer)


宇宙起源与演化


具体的说,通过进一步精确测量宇宙各时期的哈勃参量(10%→5%),可能发现宇宙是如何加速膨胀的,从而确定暗能量是否随时间变化的。这对于人类认识宇宙具有重要的科学意义:如果暗能量是随时间变大的,宇宙终将分崩离析,进入所谓大撕裂状态;如果暗能量是随时间变小的,宇宙终将重新汇聚在一起,进入所谓大坍塌状态。


在激光通信领域,2016年我国墨子号量子科学实验卫星专项的星地高速量子密钥分发实验中,中国科学院光电技术研究所研制的4个地面站(望远镜)对量子秘钥分发实验起到了至关重要的作用。实验中,卫星捕捉到地面站发来的光束(信标光),并将该光束会聚到探测器中心;捕获完成后,卫星发出一光束,该光束准确地指向地面望远镜;地面望远镜接收到光束,完成捕获过程,使得卫星和地面站最终达到通信连接状态。


太阳大气探测也是如今天文学以及天体物理学的一个重要问题。太阳是距离地球最近的恒星,如果能更加了解它,就有助于我们探索宇宙的奥秘,同时预防太阳对地球的危害。望远镜的其他应用还有卫星成像、激光雷达等。


自从1609年伽利略发明了第一台应用于天文观测的光学望远镜后,四百多年来,天文望远镜经历翻天覆地的发展变化,从折射式到反射式,从小到大,从单口径到多口径,从地面到空间,如今形成的望远镜家族也不仅仅只用于天文观测了。几百年的时间里,天文学家靠着越来越先进的望远镜获得了巨大的成果,使得我们对太阳系、银河系、河外星系甚至整个宇宙的认识产生了一次次大的飞跃,极大地推动了现代天文学和物理学理论的发展。


本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:胡平(中国科学院光电技术研究所)

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