五花八门的天文望远镜

天文望远镜是科学家认识和了解宇宙的桥梁。俗话说条条大路通罗马,但每条路都有可能不一样。那么,观测宇宙的天文望远镜都有哪些经典设计呢?

折射式天文望远镜拍摄的玫瑰星云(左)和猎户座大星云 (安徽大学大学生天文协会拍摄)

历史最为悠久的设计是折射望远镜。它的核心部件是一块凸透镜,和普通的放大镜并无本质区别。实际上人眼就是一台折射望远镜,其中晶状体充当凸透镜,视网膜担任接收机,其他结构则承担调焦、跟踪等辅助功能。但是由于折射伴随着散射,这种望远镜一般都会有色差问题。如果需要修正色差,就要在光路中加入一系列专门设计的修正镜。但色差一般无法被完全修正,所以在要求严格的科研级应用中往往会倾向于避开折射望远镜,以解决色差问题。

还有一种常见的架构是反射望远镜。主流观点认为它是牛顿发明的,因此又叫牛顿望远镜。其原理比较简单:平行光经过抛物面反射后汇聚到一点,起到和凸透镜类似的作用。这类望远镜优点是价格低廉,没有折射,因此也没有色差问题。缺点则是采用抛物面反射时不能很好地聚焦离轴光线,虽然可以通过使用球面镜来改善这一点,但使用球面镜时对正面入射的平行光的成像质量又不如抛物面镜,难以做到两全其美。

加州星云(左)和心脏星云 (安徽大学大学生天文协会拍摄)

在折射和经典反射望远镜之外,一种更有潜力的架构是卡塞格林望远镜。它是对反射望远镜的改良,将副镜从平面镜变为凸面镜,其反射方式也从90度反射改为180度反射,所以成像的位置从镜筒侧面移到了镜筒后部。因为主副反射镜的曲面类型都可以自由设计,其成像潜力得到大幅提升。特别是在主镜和副镜都采用双曲面时可以有效地消除各种初级像差,得到非常好的成像质量。这种高质量的光学架构是在1910年代早期由美国天文学家乔治·威利斯·里奇和法国天文学家亨利·雅克·克雷蒂安发明的,简称RC系统。哈勃望远镜、詹姆斯·韦布太空望远镜以及我国冷湖天文观测基地内的多台天文望远镜均采用这种架构。

施密特-卡塞格林式望远镜拍摄的木星(左)和土星 (安徽大学大学生天文协会拍摄)

不过事无完美,RC架构虽然性能优异,但价格非常昂贵。原因有两方面,一来双曲面加工起来比较困难,二来优异的成像质量对加工精度提出了更高的要求,进一步导致成本飙升。反过来看,球面镜一方面容易加工,另一方面即使加工完美,成像质量也高不到哪里去,所以对工艺的要求要低不少。因此,基于球面镜的卡塞格林望远镜虽然性能有限,但在科普级应用中反而非常合适。

值得一提的是,詹姆斯·韦布太空望远镜的主反射镜由18面六边形镜片组成,合起来就是一块双曲面主反射镜,构成RC光学系统的主体部分。由于副反射镜和支架的存在,入射光被截掉了一部分,剩余的光线经过衍射后就形成了独特的八角星芒。有趣的是,虽然折射望远镜因色差的缘故通常不进入科研级应用,但由于它的架构中没有遮光部分,所以在星芒的问题上反而明显优于反射望远镜和卡塞格林望远镜。这再次证明:没有最好的望远镜,只有最合适的望远镜。

协助撰写:中国物理学会科普基地、安徽大学大学生天文协会。

（陈高扬 从儒雅 袁国栋 刘浩）