天文學與望遠鏡的不解之緣,如何利用望遠鏡觀測深空天體

2020-12-03 冥維空間

天文學中不同類型的望遠鏡,歷史最悠久的望遠鏡非「光學望遠鏡」莫屬。「望遠鏡」從一開始的問世,它的功能就是為了能夠看得更遠、更大的圖像,當義大利的物理學家「伽利略」,第一次用「望遠鏡」來觀察天空天體時,天文學就與望遠鏡產生了不解之緣。

光學望遠鏡

一般人認為望遠鏡越長、越大秒能夠看得更遠、更大的圖像,但其實這是一個誤區,對於天文望遠鏡的目的,是為了接收更多的光子,而光子的數量決定觀測目標的信息,接收的光子越多,了解的信息就越多。

舉例說明:

「甚大望遠鏡」歐洲南方天文臺在智利建造的大型光學望遠鏡,也就是「Very Large Telescope」,簡稱VLT。

光源所發出的光,通過各種鏡片的組合,反射到達了收集光子的傳感器(CCD),這個傳感器和我們日常生活中的數位相機的傳感器一樣,

VLT使用了直徑8.2米的反射鏡面作為主鏡,來儘可能更多地接收光子,像這樣大的主鏡接收到的光子就非常多了。

VLT8.2米的鏡子,在製作完成後需要兩年多的時間,對其進行恆溫冷卻及沉降,才能使得表面均勻並且這些鏡面需要很強大的支撐系統,望遠鏡的正常轉向工作在使用期間還要克服鏡面的熱脹冷縮。

通過CCD的長時間曝光,科學家就可以收集到更多的光子,一些研究的基本數據, 通常需要7-8個小時的曝光時間。但並不是建造直徑更大的望遠鏡,就能接收到更多的數據,而是曝光更長的時間就能獲得更多的信息數據。

制約光學望遠鏡最大的一個限制條件就是大氣,即使是在海拔2600米以上,空氣非常稀薄、乾燥,所拍攝的目標也會受到非常嚴重的大氣影響,所以VLT在工作的時候會向天空發射一束雷射,其實這束雷射就是為了後期修正大氣對所拍攝目標數據的影響,修正也是非常有限的,像「哈勃望遠鏡」這樣的太空望遠鏡,就不會受大氣的影響,但是它也會存在一些相對的問題,例如它的經費很高、需要很多維護以及主鏡的尺寸還是比較小的。

Cherenkov望遠鏡

這種望遠鏡一般用來監測「伽馬射線暴」以及高能宇宙射線,來自宇宙的高能射線的轟擊大氣會產生「Air Shower」(類似暴風雨天裡的雷電),雷電的最頂端就是來自宇宙的高能射線,而底部的分支就是轟擊所產生飛速移動的粒子,像這種飛速移動的粒子(電子、中微子)它們本身並不會發光,但是當它們的飛行速度大於當下介質下光的速度時,這種粒子在移動的過程中會發光,科學家稱之為「Cherenkov Light」。

「Cherenkov望遠鏡」就是觀測高能粒子發出「Cherenkov Light」的設備,但是「Cherenkov Light」極其微弱,非常受到環境以及月光等因素的影響,並且不同於光學望遠鏡的長時間曝光,「Cherenkov望遠鏡」需要非常快的曝光速度,一般在10納秒左右才能捕捉到高能粒子,並且單個「Cherenkov望遠鏡」並不能對「Air Shower」進行還原,於是科學家就使用多個望遠鏡,對同一個目標進行照射,再使用立體影像技術對數據進行還原,才能得到效果較好的清晰數據。

像「MAGIC、H.E.S.S、CTA都是屬於「Cherenkov」這種類型的望遠鏡。

光譜望遠鏡

這種望遠鏡其實是使用了「歐洲南方天文臺VLT」的設備,在接收端換成了一個光譜儀,這個儀器把一束光按不同的波長分割出來,(這個原理和三角稜鏡散射出來的色散差不多),通過波長科學家不僅有了光源的數據,還能知道光源間介質的信息(例如中間是否有其它星體?它的介質密度是多少?是否處於離子態?)。光譜望遠鏡一般都是用來研究星系、星系團、超新星等等。

射電望遠鏡

這種望遠鏡的工作原理和電視臺的信號接收器原理是一樣的,都是接收無線電波信號,由於接收的是無線電波信號,所以這類型的望遠鏡沒有「反射系統」,而是用金屬支架構建的,由於接收的信號波長較長,所以受到大氣的影響也相對較少,在地面觀測相比太空觀測有著更加多的優勢,這類型的望遠鏡還擁有一個很大的特點,就是可以探測到很遠的外太空,是目前可以探測最遠距離的望遠鏡。

舉例說明:

「天眼FAST射電望遠鏡」

我國自主設計建造的「天眼FAST射電望遠鏡」,為全球最大的單口徑射電望遠鏡。這臺望遠鏡座落在貴州,於2020年1月11日成功通過國家的驗收,現已正式投入使用,這臺望遠鏡不僅口徑位列全球第一,而且探測的距離也是全球第一。

「天眼FAST射電望遠鏡」可以探測到多遠?

「射電望遠鏡陣列」

除了單體的射電望遠鏡,目前世界上主要採用的是「射電望遠鏡陣列」,這種望遠鏡是由多個射電望遠鏡所組成的陣列,這樣的陣列望遠鏡和「Cherenkov望遠鏡」有很大的不同。

「射電望遠鏡陣列」使用的是幹涉的原理進行觀測,望遠鏡的數量越多,得到的幹涉數據結果也就越清晰,並且陣列望遠鏡覆蓋的面積越大,它的等效鏡面尺寸也就越大。

案例:

之前拍攝的黑洞圖片,就是聯合了世界上多個望遠鏡組成的陣列,鏡面的等效大小和地球體積一樣大。

結語

《Nature》發布的一篇關於在夏威夷建造大型望遠鏡的文章裡,介紹了當地原著居民與科學家之間的爭議,當地原著居民認為,夏威夷群島的「納迪亞克山」是聖山,而科學家要在聖山的山頂上建造望遠鏡。

而科學家選址在這裡是因為,海拔較高的地方空氣溼度也會相對較低,觀測條件也會比較好,所以山頂是最佳的選擇,這也是此次爭議的原因。

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