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20世纪的天文学

央视国际 2004年04月12日 13:54

  天文学在二十世纪的发展是空前的。现代物理学和现代技术的发展,使天体物理学成为天文学的主流,经典的天体力学和天体测量学也有新的发展,人们对宇宙的认识达到了空前的深度和广度。

  十九世纪中叶诞生的天体物理学,一跃而成为天文学的主流;二十世纪四十年代后期打开了射电天窗,兴起了一门利用波长从毫米到米的电磁辐射研究天体的新学科;六十年代,航天时代的到来,使天文学冲破了地球大气的禁锢,人类开始到大气外去探测宇宙;天文学开始成为全波段的宇宙科学,使我们得以考察大到150亿光年空间深度的天象,并追溯早于150亿年前的宇宙事件。

  二十世纪天文学进入了黄金时代,人们可以阐明地球、太阳和太阳系的来龙去脉、星系的起源和星系的演化、宇宙的过去和未来、地外生命和地外文明等重大研究问题。

  从二十世纪在天体观测手段和技术、太阳系、太阳系以外天体研究等方面的成果,即可显现天文学研究的发展。

  观测手段和技术


伽利略

  起初5-6个世纪的观测全凭肉眼,古代仪器充其量只能比较准确地测定肉眼所及的天体位置,却不能发现更多的星象。1609年伽利略发明了第一架天文望远镜,由凸透镜的物镜和凹透镜的目镜组成,发现了月亮的环形山、木星的四颗卫星……,看到了一个全新的世界。不久开普勒将这种望远镜的凹透目镜改造为小凸透目镜,尽管成相是倒立的,但视野和放大率都扩大了。这种望远镜是折射望远镜,玻璃会产生色差,色差会严重影响星象的清晰度。于是当时人们就不断制造出焦距越来越长的望远镜,在牛顿以前,这是仪器的主攻方向。1668年牛顿首先制成反射望远镜,他用的目镜是锡和铜的合金,全长不过15厘米,然而它却可以放大40倍。威廉.赫歇尔是制造反射望远镜的一代宗师,他一生磨成了四百多块反射镜,最大的口径达122厘米。19世纪最大的反射望远镜是美国人罗斯伯爵于1845年建造的,口径达184厘米镜身长17米。当时的反射镜全都是金属制的,大块金属既笨重又难以铸造和加工,且容易失去光泽,影响反射效果。1846年玻璃工业达到发展,到19世纪中叶以后,大型折射望远镜在世界各地纷纷建造起来。1824年德国光学家夫琅和费造了一架口径24厘米、长4.3米的消色差折射望远镜,安装在俄国天文台,这架望远镜上的机械部分极为灵巧。

早期的折射望远镜
伽里略手制的折射望远镜
牛顿手制的反射望远镜

  19世纪40年代一架38厘米的折射望远镜在美国哈佛大学天文台建成。这时磨制折射望远镜的技术在美国发展到了尽善尽美的程度。1870年美国人克拉克为美国海军天文台建造了一架当时世界最大最好的折射望远镜,它长13米,口径66厘米,透镜重45千克,1877年美国天文学家霍尔用它发现了火星的卫星。1892年小克拉克为美“叶凯士”天文台磨制了 一块重230千克、口径102厘米的巨大透镜,制成的巨型折射望远镜于1897年启用。直到今天,这架仪器仍然保持着折射望远镜冠军的称号。克拉克建造了大型折射望远镜的成就,刺激了欧洲的竞争,1885年俄国普尔科沃在天文台安装了口径76厘米的折射望远镜,透镜也是克拉克磨制的,1886年77厘米的望远镜安装在法国尼斯天文台,1889年83厘米的望远镜在法国默冬天文台启用,1893年71厘米望远镜出现在英国格林威治天文台。总之,19世纪末大型折射望远镜相继问世,为探索宇宙发挥着应有的作用。

  现代反射望远镜

  如果说19世纪下半叶是折射望远镜的时代,20世纪上半叶巨型反射望远镜则占了上风。反射望远镜的东山再起是因为磨制材料的改进,用玻璃代替金属,德国和法国率先独立地制成了玻璃镀银的反射镜。1897年一架91厘米的反射镜在英国诞生了。

  20世纪天文史的发展,大型反射望远镜功不可没。1917年11月“胡克望远镜”正式启用了,整个望远镜重90吨,可以很方便地操作,并以很高的精度跟踪恒星,它在以后的30年内一直是望远镜之王,它是第一架、也是30年内惟一能够提供银河系实际大小和太阳系所处位置信息的仪器。1948年当时世界上最为完善的“海尔反射望远镜”在美国交付使用,它的成型镜面净重14.5吨,镜筒重140吨,整个望远镜的可动部分重达530吨!它拍摄和分辨遥远天体的能力比“胡克望远镜”要优越得多,它能拍摄23等的暗星,能探测距离我们远达几亿光年的暗弱星系。“胡克望远镜”曾使人类了解自己所在星系的大小和性质,估量河外星系的本质和运动并提出由于遥远的过去发生的一次宇宙爆炸而发生了宇宙膨胀。“海尔望远镜”对这一切做出了确凿证明。而且在以后许多年后,尽管许多国家造出了规格更高的望远镜,但都没能超过“海尔望远镜”,超过它的只有前苏联专门天体物理台的6米反射镜。这架6米反射镜是目前口径最大的一架望远镜,安装在高加索山脉,1976年正式投入观测。镜体本身长25米重77吨,其大小堪称第一,但就其性能而言,它仍然没能超过口径5米的海尔望远镜。


美国夏威夷的8米光学望远镜

  太阳望远镜

  日冕是太阳周围一圈薄薄的、暗弱的外层大气,它的结构复杂,只有在日全食发生的短暂时间内,才能欣赏到,因为天空的光总是从四面八方散射或漫射到望远镜内。

  1930年第一架法国天文学家李奥研制的日冕仪诞生了,这种仪器能够有效地遮掉太阳,散射光极小,因此可以在太阳光普照的任何日子里,成功地拍摄日冕照片。从此以后,世界观测日冕逐渐兴起。

  日冕仪只是太阳望远镜的一种,20世纪以来,由于实际观测的需要,出现了各种太阳望远镜,如色球望远镜、太阳塔、组合太阳望远镜和真空太阳望远镜等。

  太阳塔又名塔式望远镜,是太阳物理观测的基本工具。外形是塔式建筑,通常高20米以上,塔的顶部安装定天镜,它将入射的太阳光线垂直向下反射,进入成像光学系统和附属仪器。太阳塔通常建为双层结构,除顶部有定天镜外,中间安置太阳望远镜成像光学元件,在塔底或地下竖井内设置大型太阳摄谱仪和其他附属仪器。

  真空太阳望远镜是将全部成像光学元件都放在真空筒中,这种望远镜可以消除仪器内部气流对成像的有害影响。最著名的真空太阳望远镜在美国萨克拉门托峰天文台。它的外形是41米高的露天锥塔,顶部是真空密封转台。太阳光射入直径75厘米的玻璃密封窗后,被构成地平系统的两块直径110厘米的平面镜反射到直径0.6米、焦距46米成像镜上,返回的光线经斜平面镜,穿过密封的出射窗进入附属仪器。真空筒重250吨,可以转动。这台仪器安装在宁静度很高的高山上的,能够观测非常小的太阳表面和低层大气的组织结构,分辨率相当于辨认出距离96千米处一块汽车牌照的能力,它代表了目前地面太阳仪器的最高水平。

  射电天文学的研究

射电天文学的奠基人、美国工程师央斯基
澳大利亚国家射电天文台

  20世纪初期人类还不能完全捕捉到天体释放出辐射的电磁波谱,这是当时天文学家的遗憾。第一个发现来自宇宙无线电波的是美国电信工程师央斯基(1905~1950)。他在研究短波通信中各项干扰因素时,发现了一种来源不明的电波,并发现它的方向似乎和太阳相关,但不完全与太阳运动一致,可能是虽恒星变化而变化的,而且来自于太阳系以外的固定点,经过观测得出这个固定源在天空的坐标,指出了它的方向与银河系中心接近。人类捕捉到了来自太空的无线电波,射电天文学从此诞生了。这是天文学发展史上的又一次飞跃,从此人类认识宇宙的窗口从可见光波段转到射电。第二次世界大战结束后,一大批研究雷达的科技人员把雷达技术应用到宇宙射电的研究中,射电天文学进入了蓬勃发展的时代。目前世界上口径最大的射电望远镜固定在地球上,利用地球的转动来改变指向,这就是1963年安装在波多黎各的阿雷西博射电天文台的著名抛物面射电望远镜,是美国国立天文台和电离层研究中心的主要设施。它可作雷达使用,还可以用来绘制金星、水星、火星和木星、土星的卫星雷达图。

  射电天文学给人类带来的宇宙信息是无比丰富的,早在50年代,射电天文学家们就已经对太阳射电进行了卓有成效的研究,描绘了银河系旋臂结构的全景;60年代更有类星体、脉冲星、星际分子和宇宙微波背景辐射四大发现;70年代详细研究了一批射电星系核和类星体,发现了令人难以置信的超光速运动。

  空间天文学


  我们的地球被一层厚厚的蓝色“面纱”——大气层包围着。这个大气层给我们提供了充足的氧气、适宜的温度,它保护人类免遭来自于太空的不速之客,如流星、粒子辐射等等的袭击。40年代的探空火箭技术和气球技术,50年代末人造卫星的上天,使天文学家宿愿终于实现。从此天文学从地面观测跃进到空间观测,从狭窄的光学波段、射电波段扩展到整个电磁波段,于是天文学便进入了全波天文学,即天文学的崭新时期,这是天文学发展史上的又一次飞跃,从此红外天文学、紫外天文学、X射线天文学和γ射线天文学相继应运而生,在人类面前展示了一幅更加绚丽多彩的大宇宙图像。

  红外辐射是60年代被发现的,红外天文学的研究在地面和高空以及外层空间全面展开。红外波观察绝对温度四千度以下的天体,包括太阳系中的行星、卫星和彗星,红外辐射可以提供关于恒星的出生和死亡的宝贵知识。第一颗红外天文卫星于1983年升空,它是美国、英国、荷兰共同研制的,上面装有一架60厘米的红外望远镜,它发现了三十多万个新天体。


哈勃空间望远镜

  为了观察极为明亮的年轻恒星,必须借助探空火箭和人造卫星观测。进入70年代有4颗紫外天文卫星进入太空。20世纪60年代最激动人心的发现还是X射线天文学领域的研究,被认为是六十年代X射线天文学的重大成就之一。

  1962年,第一次发现天蝎座方向的一个强大的X射线源;1969年发现蟹状星云脉冲星NP0532的X脉冲辐射;1970年第一个观测X射线的小型天文卫星──美国的“自由号”进入巡天轨道;随后,荷兰、英国、印度、美国等国家的X射线卫星和高能天文台相继探空;“自由号”的资料到1977年已编出四个X射线源表。1975年发现的宇宙X射线爆发,是七十年代天体物理学的重大发现之一。X射线天文学诞生已为我们展示了一幅与光学天空完全不同的宇宙面貌。X射线天文、光学天文和射电天文已构成二十世纪天文学的三个鼎足而立的强大支柱。

  γ射线是波长比X射线还要短的电磁辐射,宇宙中许多过程都能产生γ射线。1962年两个月球轨道上的卫星“徘徊者”3号和5号发现了弥漫宇宙γ 射线辐射。1972年两次太阳耀斑事件中探测到γ射线爆发。1973年证实宇宙γ射线爆发。到1978年底,探测到的银河系γ射线源一共只有13个,其中8个已证认为超新星遗迹。

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(编辑:戴昕来源:)