天体摄影：认识璀璨星空

安徽花满楼

撰文丨李良 供图丨李良 NASA

形形色色望远镜

1608年，荷兰眼镜制造商汉斯·列伯希（Hans Lippershey）偶然用两个镜片对叠往远处观看，他发现，远处的目标被拉近了。后来他制作了一个圆筒，两端装上透镜，做成了一个简单的望远镜。1609年7月的一天，意大利科学家伽利略听说了汉斯·列伯希的故事，他很受启发，于是便开始了望远镜的研制。经过多次试验，伽利略造出了一架能放大9倍的望远镜；同年，他又用平凸透镜作物镜、凹透镜作目镜，制作了一架口径为4.2厘米、长约1.2米的望远镜。当伽利略将自己研制的这架望远镜指向天空的时候，他发现：月亮上有高山和平原，金星有类似月亮圆缺的位相，茫茫银河原来是由无数的恒星构成；后来，还是利用这样的望远镜，他又发现了木星的四颗卫星、土星周围的异物（也就是许多年后人们才知道的土星的光环）等，并对太阳黑子进行了详细地描述。而采用这种光学系统的望远镜则被称为伽利略式望远镜。

■ 科学大师伽利略。

■ 伽利略向威尼斯官员展示自制的天文望远镜，并教他们用望远镜来观察远处海上的船只和星空。

1888年，在美国金融家詹姆斯·利克资助下，利克天文台成立并建成口径91厘米、长18.3米的利克望远镜，此举打破了1885年俄国普尔科沃天文台创下的口径30英寸折射镜的记录。1895年，美国著名天文学家乔治·埃勒里·海尔说服了芝加哥电车大亨查尔斯·泰森·叶凯士，请他出资建造了一架一米口径的折射望远镜，并把天文台命名为“叶凯士天文台”。1897年5月21日，这架直径1.02米、长约18米的望远镜落成，该望远镜可转动装置重达20吨，平衡性能良好，据说只用一根手指就可将它推动。至今，它仍是世界上口径最大的折射望远镜。

■ “列维亚森”望远镜。这架望远镜是爱尔兰伯爵罗斯耗资3万英磅，历经20多年自制而成的。它口径1.82米，筒长17米，反射镜3.6吨重，得4个人才能操纵它，但它的聚光能力非常强。

■ 著名的“海尔望远镜”（口径5.08米）落成时庆典盛况。

早在19世纪50年代，一位德国化学家发现给玻璃表面镀银的方法，结果启发了天文学家应用这一技术来制造玻璃反射镜。而真正使得反射望远镜步入大型化的则是美国天文学家乔治·埃勒里·海尔，以及他的合作者、制镜天才乔治·威利斯·里奇。他们首先合作成功的是加利福尼亚威尔逊山天文台口径60英寸（1.5 米）的反射望远镜。在实践中，里奇创造性地使用了无尘环境即洁净室来进行镜面加工，并成为后来者的制镜典范。这架1.5米的望远镜于1908年落成，该高性能望远镜拉开了现代大型反射望远镜的序幕。还在该望远镜制造期间，才思敏捷的海尔又开始为制造口径100英寸（2.54米)望远镜筹措资金，结果获得洛杉矶富商约翰·胡克的资助，并答应他望远镜将以胡克的名字命名。1918年，“胡克望远镜”(Hooker)终于在里奇手中制作成功。胡克望远镜具有强大的聚光能力，它向人们展现了一个空前神奇的宇宙。哈勃就是用它首先发现并证认了第一个河外星系——仙女座大星云（M31），发现了许多河外星系，并发现河外星系正在远离我们退行，这是我们的宇宙正在膨胀的重要的观测证据，由此开创了观测宇宙学与星系天文学。此后30年中，“胡克望远镜”一一直是全世界最大的反射天文望远镜。

■ 赫歇尔发现天王星使用的望远镜（口径15厘米）（上中图）、伽利略望远镜（左下图）。牛顿发明的反射式望远镜（右下图）。

1929年，海尔又设法从洛克菲勒基金会那里获得一大笔款项，他筹划建造更大的反射式望远镜——口径200英寸(5.08米)的望远镜。它于20世纪30年代开始建造，建造技术在当时堪称奇迹，1934年该望远镜玻璃镜坯浇铸成功，为了避免产生气泡和瑕疵，用了约10个月的时间慢慢冷却，然后从康宁工厂运到加州帕洛玛山上“安家”。当时，巨大的镜坯装在17英尺高的箱子里，火车运载仅在白天，且以不超过25英里时速缓缓地行进。当时铁路两旁站满了围观的民众，一些学校甚至停课组织学生前来参观这个庞然大物。这块巨镜运到加利福尼亚后进行了最后的抛光。1941年，除了主镜，包括圆顶观测室在内的望远镜其他部分均已建造完毕。因为处于第二次世界大战期间，所以直到1947年，镜坯才最终被精加工成镜面并安装到望远镜上。海尔于1938年去世，为了表彰和纪念海尔的伟大历史功绩，人们把该望远镜称为“海尔望远镜”(Hale) 。它至今仍在为宇宙探索发挥重要作用。

■ 1783年赫歇尔制作的口径1.22米的反射式望远镜。

20世纪中叶以后，天文学家面临一个新的困境—怎样才能建造出比海尔望远镜更大的望远镜？这似乎是不可能的，更大的玻璃镜片很容易有裂痕，并且很可能因为自身重力而形变。20世纪80年代，为了加强望远镜的集光能力，有人提出，望远镜主镜的口径最好在4米以上；事实上，传统的维护像质、防止透镜因重力而变形的方法由于受到造价和结构重量的限制已不再适用。为了改善大中型望远镜的像质，主动光学诞生了。

主动光学系统最初是美国军方开发的一种新技术，以此来减少大气扰动对图像的影响。后来，天文学家把这种技术应用于望远镜研究上，将主动光学系统和多镜面望远镜技术结合，从而提供了比以往陆基望远镜更清晰的宇宙暗弱天体的图像。第一架完整的主动光学望远镜—欧洲南方天文台3.5米的新技术望远镜（NTT），于1989年在智利的拉塞拉天文台(La Silla)投入使用。

■ 胡克望反射型望远镜，口径为2.54米。

多镜面望远镜是20世纪80年代出现的新技术，主要是用很多子镜面来构成望远镜主镜面来获得合成的单一图像。多镜面望远镜运转时需用计算机控制每个子镜片的形状和位置，调整望远镜的指向，跟踪天空中的目标。这种由多块分立镜面组成的新型天文望远镜，避免了因制造巨大单镜面望远镜所带来的众多困难，并可大幅度降低制造费用。

最早的一台多镜面望远镜是美国史密松天文台于1979年启用的，该望远镜由6块口径1.8米的反射镜组成，它们围绕中心排成正六边形，通过光束合成器使其效果相当于一架口径4.5米的大望远镜。谈到这架多镜面望远镜的缘起，要从当年一堆闲置不用的望远镜部件说起。当时由于美国和苏联处在冷战期间，美国空军建造了6片重量相对较轻的72英寸(1.8米)口径的反射镜，这组镜片准备应用于军用卫星上，后来的结果是它们闲置不用了，亚利桑那州大学和史密斯学会合作，利用它设计建造了这架新型的反射望远镜。它采用地平式装置，仪器和观测室的尺寸比一般结构的望远镜显著缩小，对比来说，海尔望远镜圆顶室内的望远镜占用的空间比多镜面望远镜大得多。它安装在美国亚利桑那州塔克森(Tucson)南面60公里、高度2600米的霍普金斯山顶上。

■ 1845年，爱尔兰天文学家罗斯伯爵用自制的巨大望远镜观测到的M51，这是天文学家发现的第一个旋涡星云。

■ 天文学家哈勃在操纵望远镜进行天文观测。

1998年，这台6个镜筒的多镜面望远镜被改造成单镜面主镜（有效通光口径6.5米）；2003年，该望远镜全新的自适应光学的变形副镜调试获得成功，标志着自适应光学变形镜面的重要的新进展。据专家介绍，MMT改装的6.5米望远镜的自适应光学改正镜是它的副镜，其直径1米，这个装置减少了在其他的自适应光学系统中所需要的8个镜面。为了使这个１米直径的自适应光学改正镜镜面能够及时变形，它的镜片厚度只有2毫米。

多镜面望远镜使用的镜片和其他所有的玻璃镜片一样，也有热胀冷缩现象，这种现象会导致望远镜焦点的改变。所以必须考虑通风问题，望远镜周围的建筑物在设计时给予了足够开阔的空间，保证在夜晚时空气能够充分流通，从而使望远镜的温度快速降到和环境温度相同。一旦望远镜的温度达到了夜晚空气的温度，望远镜的焦点就稳定下来，此时望远镜就能够使用了。多镜面望远镜安装在一种地平式支架上，支架可以上下左右运动，就像军舰上的炮台一样。多镜面望远镜的支架设计离不了计算机的应用。计算机可适时地调整支架，即使地球在自传，也能使望远镜的视线始终停留在观测目标上。望远镜支架不是唯一能够移动的部件，而是整个建筑物都被设计成能够旋转的，它能够跟随望远镜的移动而转动。事实上，即使有计算机的帮助，要做到所有镜片都指向同样一个点并且保持同步操作，一直都是一个挑战。

■ 1974年落成于澳大利亚的英—澳联合建设的反射式口径3.9米光学望远镜。

20世纪90年代，得益于威廉·凯克基金会的慷慨资助，美国加州理工学院和加州技术学会联合打造了“凯克I”和“凯克II”望远镜，设在夏威夷海拔1.4万英尺(4267.2米)的莫纳克亚山上。它们各由36块直径1.8米的六角镜面拼接组成，有效口径都是10米。通过计算机控制的主动光学支撑系统调节，使镜面保持极高的精度。这两台望远镜分别在1993年、1998年完工，曾一度是世界上最大的光学天文望远镜。每个凯克望远镜通过计算机控制的主动光学支撑系统调节，使镜面保持极高的精度。其总重达200吨，并可兼作红外观测。

凯克望远镜的每一个都有300吨重，8层楼高，有效物镜尺寸达到10米(33英尺)，能够采集到可见光和红外线。凯克望远镜采集和集中光线的大型镜片和南非大望远镜类似，均具有内部冷却系统，目的是保护镜片不受温度变化产生的形变影响。该望远镜系统中有一个很重要的很小的镜片，专门用来弯曲光线，即使在高高的莫纳克亚山，凯克望远镜也必须克服地球大气层的折射；这个6英寸(15厘米)的镜片每秒钟改变形状670次，用以抵消地球大气层对进入光线的影响。

■ 欧洲南方天文台的VLT主镜下方安装的150个主动光学触动器。

“加那利大望远镜” 是由36片六角形的小镜片组合而成，望远镜口径10.4米(34.3英尺)，拉丁文名称为 Gran Telescopio Canarias，简称GTC；也有人称为Great Canary Telescope,GCT，耗资1.8亿美元建造，是迄今世界最大的拼接镜面望远镜，2007年7月投入使用，放置在位于西班牙外海的加纳利群岛大加纳利岛拉帕尔马(La Palma)岛的一座山上。这台号称世界上最大望远镜使用自适应光学系统，能够捕捉到遥远的在早期宇宙诞生的星系、黑洞和系外行星等。

除此之外还须一提的是2009年6月4日，中国国家重大科学工程——大天区面积光纤光谱天文望远镜(LAMOST)，在中国科学院国家天文台河北兴隆观测基地通过了由国家发展改革委组织的国家竣工验收。这台望远镜于2008年落成，是拼接镜面，有效通光口径为4米、焦距为20米、视场达20平方度的中星仪式的反射施密特望远镜。其技术特色是：把主动光学技术应用在反射施密特系统，在跟踪天体运动中作实时球差改正，实现大口径和大视场兼备的功能；球面主镜和反射镜均采用拼接技术；多目标光纤（可达4000根，一般望远镜只有600根）的光谱技术是一个重要突破。LAMOST把普测的星系极限星等推到20.5m，比SDSS计划高2等左右，实现107个星系的光谱普测，把观测目标的数量提高1个量级。它的研发成功，标志我国科技工作者不仅掌握了拼接镜面技术，主动光学和自适应光学技术也通过了考验。此前，我国国家天文台位于河北兴隆观测站的口径2．16米反射望远镜一直是远东最大的光学望远镜，独领风骚18年，直到2007年5月，历时3年8个月在云南丽江高美古建成的一台口径2.4米高性能光学望远镜，被誉为新一代“东亚镜王”，取代了2.16米望远镜的地位。

■ “大麦哲伦”望远镜，其有效口径达21.4米。

哈勃和膨胀的宇宙

埃帝文·哈勃被誉为20世纪最伟大的天文学家，因为他的发现，人类彻底改变了对自己在宇宙中的位置的认识，不再认为自己是宇宙的中心。

借助望远镜和摄影技术，我们真正领略了“大千世界”，“天外有天”的含义。各种迷人的天体，银河系以及河外星系的形态可谓“形形色色”，风景是那么静谧、深邃和壮观，却又变幻无穷。

在18世纪后期，西方国家爱好天文的人兴起了搜寻彗星的热潮，几乎所有拥有天文望远镜的人，都愿意花费许多时间巡视天空，他们期望发现我们太阳系的新成员，一旦获得成功，奖金、奖章、荣誉勋章等就会降临到幸运的观测者身上。在清静的星空中，人们常常会看到一些模糊暗淡、呈白色云雾状的斑点，西方人称为之“Nebulas”，意为星云。事实证明，星云使那些致力于猎取彗星的观测者们大受挫折。

■ 超大型天文望远镜效果图。

在1745年以前，人们大约发现了20多个星云。1786年，法国著名天文学家梅西耶已发现了103个星云、星团。后来，在1864年约翰·赫歇耳的“星云总表”(简称GC星表，其中列出5079个天体)的基础上，爱尔兰阿尔马天文台台长德雷尔通过长期的照相观测，刊布了三个星云、星团表。第一个是1888年出版的《星云星团新总表》，简称NGC星表，其中载有7840个星云、星团资料。第二个和第三个是1895年和1908年出版的两本补编，称《星云星团新总表续编》，简称IC星表，其中载有5386个星云、星团资料。现代天文学家提到星云、星团时，通常引用NGC和IC的编号数。例如，著名的蟹状星云称为NGC1952，这是因为在德雷尔表上，它是第1952个登记入表的；又如，仙女座大星云在这个表中称为NGC224。

■ 哈勃空间望远镜拍摄的双子座爱斯基摩星云（左上图）。猫眼星云（右上图）。美国斯匹策空间望远镜拍摄的螺旋星云红外图像（左下图）。玫瑰星云NGC 2237。它是一个距离我们三千光年的大型发射星云（右下图）。

早在1750年，英国天文学家赖特曾猜想这些“星云”中的某些可能是独立的庞大恒星系统。1755年，德国哲学家康德发表了《自然通史和天体论》一书，在此书中康德以他超人的睿智提出了三个重要的假说。(1)关于太阳系起源的星云假说。(2)银河是一个扁球状的星团，同时还存在着类似于银河的其他“星团天体”。(3)海洋潮汐摩擦会减慢地球旋转的速度。康德认为，太阳系所在的庞大的恒星集合体(指银河系)不是宇宙中的孤立集团，它好像是茫茫宇宙海洋中的一个岛屿，那些星云可能就是这样的“岛宇宙”。后来的观测研究证明康德的观点是正确的。

■ 正是因为有了天文望远镜，地球上的人类才可以看得更远，了解自己在宇宙中的位置，看到了璀璨繁星的迷人色彩，也更增强了人类探索太空的愿望。

1776年，威廉·赫歇耳观测到有些星云的确是由许许多多的小星星构成的，率先证明了康德宇宙岛假说。但是他也发现了一些星云分辨不出星星，例如有些弥漫星云和行星状星云。对于分辨不出星星的星云究竟是不是宇宙岛，当时无法确定。1845年，爱尔兰天文学家罗斯耗资约3万镑，自制成功口径约1．82米的大望远镜，虽然它很笨重，需要四个人才能操纵它，但利用它还是获得了一些重要的发现。罗斯用它辨认出了一些云雾状的天体呈旋涡状外形；还证实了许多赫歇耳认为的“星云”实际上是星团。罗斯发现M5l(梅西耶表中的第51个天体)有一种独特的旋涡结构，他从M5l的特征外貌得出结论—这个星云实际上是一个巨大的自转的恒星旋涡。

■ 哈勃空间望远镜在执行最后的任务。

到本世纪初，对星云的观测资料愈来愈多，由此人们开始涉及与星云有关的一些重大天文问题。例如，旋涡状星云距离地球有多远?它是在银河系之外吗?旋涡星云是气体星云还是与银河系类似的天体系统？1915年，美国天文学家柯蒂斯提出自己的看法：如果星云的距离比银河系大，那它肯定是远在银河系之外的星系，反之，它应属于银河系的成员。后来，他曾测得仙女座旋涡星云距离地球大约1万光年。1918年，美国天文学家沙普利得出了星云是银河系成员的结论，他估算银河系的直径为30万光年。柯蒂斯后来重新审查了自己的计算，把仙女座星云的距离延长了1000倍；他在NGC4527和NGCA321等星云中发现了不少新星，他认为新星的出现表明它们不是气体星云，而是恒星系统，所谓旋涡星云的名称是不恰当的。由于对观测事实的选择有所偏爱，也由于对观测事实的真正实质还不够理解，天文学界形成了两种对立的学术观点。柯蒂斯认为宇宙岛的确存在，而沙普利认为柯的根据不足而坚决反对。1920年4月24日，美国科学院在华盛顿召开了“宇宙的尺度”学术讨论会，沙普利和柯蒂斯双方就银河系大小和旋涡星云的真相展开了面对面的论战，这是近代天文学史上有名的一次科学大辩论。由于他们都提不出令人信服的充分证据，故未能说服对方。后人的评价是，就银河系大小的估计而言，两人都有出入，即沙普利的估计大了3倍，而柯蒂斯又小了三分之一，柯蒂斯曾指出宇宙中充满了类似银河系的河外星系。

■ 通过哈勃望远镜拍摄到的土星光环与地球成27°角时的影像。每隔30年，地球上的观测者才能有机会领略到土星南极及南侧光环的身形。

■ 恒星残骸的合成图。

直到1924年，美国天文学家哈勃凭着他那娴熟的观测技巧，利用当时口径2.54米的巨型反射望远镜，拍摄了仙女座大星云和三角座M33的照片，照片上该星云的边缘部分已被分辨出恒星，后来在这些恒星中发现了十几颗造父变星。利用沙普利和勒维特发现的周光关系，哈勃推断出仙女座大星云距离我们大约93万光年(现在知道它离我们225万光年)，远远超出银河系的范围。于是，哈勃寄发了一篇叙述其观测成果的论文，交给美国科学发展协会和美国天文学联合会在华盛顿召开的会议，著名的天文学家罗素阅读了他的论文，认可了M31和M33与地球的距离大约有93万光年。仙女座大星云(M31)是人类证认的第一个河外星系，其直径约16万光年，估计其中约有三四千亿颗恒星。1926年，哈勃发表了划时代的文章《作为一个恒星系统的旋涡星云》，引起强烈反响，从此他的名字在天文学界传扬开来，后来被称为“星系天文学之父”。

现在，人们已知亮于20星等的河外星系约有2000万个，而亮于或等于23星等的河外星系总数可达10亿个以上。我们的银河系看来不过是一个普通的宇宙岛。

哈勃于1926年根据其形态将星系分成四类：椭圆星系、旋涡星系、棒旋星系和不规则星系。他的分类系统经过修订，沿用至今，是目前应用最广泛的星系形态分类系统，简称为“哈勃分类”。

■ 即将脱离飞行器的哈勃空间望远镜。

1929年，哈勃终于得出了一些划时代的伟大发现。当时，哈勃用造父变星周光关系测距方法肯定了旋涡星云在银河系之外，到1929年时，业已测出18个星系的距离、26个星系的视向速度(其中的40个星系是斯莱弗测出的)，速度都在1000公里／秒以内，哈勃对已有的红移资料（基于斯菜弗的观测资料）和新测得的距离数据进行了分析研究。

哈勃研究分析了24个河外星系的距离与红移，结果，他发现河外星系的距离和视向速度之间呈线性关系：星系的距离愈远，其视向速度也愈大，即Vr=cZ=H0·r，这就是后来举世闻名的“哈勃定律”。

上式中的c为光速，Z为红移量，r为距离。H0(=vr／r)这个量是哈勃测定的常数，后来被定名为“哈勃常数”，其单位是公里／秒·百万秒差距。H0的实际意义表示星系的视向速度(或看作星系退行速度)每远出百万秒差距的距离增加H0公里。例如取H0=50公里／秒·百分秒差距，则如某星系W的Vr=1000公里／秒，则比W星系远100万秒差距的X星系的Vr=1050公里／秒，而比W星系近100万秒差距的U星系的Vr=950公里／秒。天文学家们虽然肯定了哈勃定律是完全正确的，但是星系距离和退行速度的比例系数(即哈勃常数)取值并不一致，其原因在于测定星系距离并不是容易的事。

■ 科学家在对哈勃望远镜进行拍摄。

哈勃当时把H0值定为500公里／秒·百万秒差距(可读作每秒每兆秒差距500公里)。1953年哈勃病逝，他的学生桑德奇继承了他观测大宇宙的事业。桑德奇等人在更大范围内作了进一步精确的测量，最后把哈勃提出的常数值作了较大的修正，即把它降至50公里／秒·百万秒差距至100公里／秒·百万秒差距之间。迄今为止，哈勃常数的测定仍有一倍左右的误差。几十年来，关于哈勃常数精确值的讨论或者说近20年来的“哈勃常数战”，实际上仍是关于距离测量精确性的辩论，亦即关于距离测量方法和技术的可靠性的争论。哈勃在世时说过这样的话：“星系是孤立于太空的一个恒星群，它在宇宙中漂移着，有如夏日天空中游动的蜂群。从我们所处的位置(即星系的某个地方)极目远眺，穿过恒星群，越过其边界，可以一直看到宇宙中遥远的地方。”

1930年，英国天文学家爱丁顿把河外星云的普遍退行解释为宇宙的膨胀效应。哈勃定律正好为宇宙膨胀提供了首要的观测证据，它成为检验以后各种宇宙学理论的第一块试金石。哈勃定律昭示了一个宇宙事实：几乎所有的星系都以极大的速度远离地球而去！哈勃定律的确立是20世纪一项重大的科学成就，它使人类的宇宙观念发生了深刻的变化；它证明宇宙在整体上是静止的观念彻底过时了。当时，哈勃和他的得力合作者哈马逊谨慎地采用了“星系视退行”这一名称；但星系越远离开我们运动得越快的观测事实表明，宇宙决不会像早先科学家们所想像的那样处于静态，而是在膨胀。这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀；因此，在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀，从任何一个星系来看，一切星系都以它为中心向四面散开，越远的星系间彼此散开的速度越大。哈勃定律的伟大意义，不仅在于它证实了宇宙在膨胀，而且还提供了一种估计宇宙年龄的手段。