|
望遠鏡的發明，最早可以回溯到 400 年前，當時荷蘭的一位眼鏡製造商製造出史上第一座折射式望遠鏡，隔年著名的科學家伽利略將望遠鏡舉向天際，很快得到了許多重要的天文觀測結果，包括月球佈滿坑洞的表面、太陽黑子、木星的衛星等。
折射式望遠鏡的設計很單純，以一片凸透鏡當做物鏡，將平行射入的星光聚焦成像，再以另一片凸透鏡當做目鏡，將成像光線折射成平行光，射入觀測者的眼睛。然而折射式望遠鏡最大的問題就是「色差」：穿過太空入射到望遠鏡的星光，經常和太陽光一樣，是涵蓋了整個可見光範圍的白光，由各種波長的可見光組成，這些不同波長的光在通過玻璃製的物鏡時，會因為折射率不同，而聚焦在不同的點上，模糊了觀測影像。
為了解決色差的問題，我們可以對鏡片做些改良，例如在鏡片旁多加一片凹透鏡，或使用較不易色散的螢石玻璃，或者，和 16 世紀的物理大師牛頓一樣，改用反射式望遠鏡。
色差的解決方法：反射式望遠鏡
在牛頓發明的反射式望遠鏡中，以一個凹面鏡做為主鏡，將入射的星光聚焦，並反射到一個小小的、與主鏡成 45 度角的平面鏡（副鏡）上，再反射進入觀察者的眼中。由於入射光在望遠鏡中全程都是反射，只有最後的目鏡是折射鏡，所以因折射率不同而產生的色差問題比折射式望遠鏡輕微得多。
不過，折射式與反射式望遠鏡都會有「球面像差」的問題，也就是如果凸透鏡與凹面鏡的鏡面是球面，而非完美的拋物面的話，就無法將光聚焦到一點上。因此雖然磨製球面鏡比較容易，製造商還是得花點功夫製造拋物面鏡。
和反射式比起來，折射式主鏡必須讓光穿透，因此僅能在透鏡邊緣做支撐點，這使得折射式主鏡尺寸的極限約為一公尺，不然無法托住鏡面；反之，反射式主鏡由於只有一面做為反射面，另一面即可當支撐面，主鏡可以做到數公尺大，加上鏡面較透鏡容易製作，因此目前主要的大口徑望遠鏡都選擇反射式的設計。
口徑是解析度的關鍵
對於天文觀測者而言，不論使用的是哪一種望遠鏡，清晰明亮的觀測是最重要的，而這取決於望遠鏡的口徑，也就是物鏡的大小。望遠鏡的口徑越大，集光力越強，一般市售的天文望遠鏡口徑在幾公分到 10 幾公分，而我們的瞳孔直徑約 0.7 公分，也就是說，口徑 7 公分的望遠鏡，集光面積是瞳孔的 100 倍，等於使星光亮度增為100倍，因此可讓觀測者看見對肉眼來說過於黯淡的星星。
另外，口徑越大的望遠鏡解析度越高，也就是在很小的角度內仍能分辨物體，清楚看見多顆星星，而不是一片模糊的影像。可分辨的最小角度（越小解析度越高）除了和口徑成反比外，也和入射光的波長成正比，換句話說，波長越短的光（如藍光）越容易分辨。
巨無霸望遠鏡
人類對天文的觀測欲望當然不可能滿足於公分等級的口徑，為了看得更清楚、更深遠，望遠鏡終於從可以拿在手上、裝在自家頂樓的輕巧物品，演進成必須座落在荒郊野外、日夜凝望著天空的龐然巨獸。
從 1917 年建造於美國威爾遜山、口徑 2.5 米的胡克望遠鏡，到 1948 年建造於美國帕洛馬山、口徑 5 米的赫爾望遠鏡，再到 1990 年代建造於智利、由四座口徑 8.2 米主鏡組成的超大望遠鏡，以及凱克雙望遠鏡──它建造於夏威夷茂納開亞火山上、由兩具口徑 10 米的望遠鏡組成，望遠鏡以每幾十年口徑就增大一倍的速度越建越大，而在建造的過程中，首要解決的問題就是：該怎麼做出這麼大的一面鏡子？
太大片的鏡子容易變形，因此大多數巨型天文望遠鏡都以多片小鏡子組成，例如凱克望遠鏡就是以 36 片 1.8 米寬的弧形六角鏡，像蜂巢一樣、但帶點弧度地組合成10米寬的主鏡。但越多片小鏡子需要搭配的支撐架越多，控制系統也越複雜，因此如何在數量與尺寸間取得平衡，也是設計望遠鏡的一項考驗。預計於 10 年後完工的巨型麥哲倫望遠鏡，組成主鏡的是七面8.4公尺寬的鏡子，第一面已於 2005 年製作成功，這也是目前全世界最大的單面鏡子。
做出口徑這麼大的望遠鏡，理論上應該能得到很好的解析度，然而地球大氣並非靜止不動，通過大氣的星光會受到大氣擾動的影響，使影像不斷晃動，解析度因此無法再提升。所以，巨型望遠鏡通常必須座落於晴天率高、大氣相對穩定的高海拔地區，並且利用自適應光學的方式，盡可能修正掉大氣的干擾。
自適應光學的概念於 1953 年提出，在望遠鏡的主鏡後方（主鏡中間開一個洞）擺放一片很薄、可變形的反射鏡，當偵測器偵測到入射的扭曲影像後，反射鏡的形狀會快速改變（每秒數百到數千次，改變僅有數奈米），將入射光修正回來，以得到清楚的成像。在偵測入射光時，偵測器通常會鎖定在觀測目標附近的某顆明亮的星星，以它的扭曲情形做為修正標準。搭配了自適應光學的望遠鏡，可將解析度提升大約一個數量級，包括凱克望遠鏡等許多大型望遠鏡都搭配了自適應光學系統。
此外，又大又重的主鏡容易因自身的重力而彎曲，或是受到外來風力、環境溫度不同而變形，因此大多數大型望遠鏡會配備「主動光學」系統，隨時偵測主鏡的扭曲情形做調整。由於這種變形是緩慢發生，主動光學修正的頻率不像自適應光學那麼高，每數十分鐘一次即可。
幾百年來促使人們改良望遠鏡的動力，無非是對浩瀚宇宙的好奇與求知欲，今後的天文望遠鏡也將繼續挑戰科技的極限，帶領人們探究更多宇宙中尚未被發掘的奧秘。
望遠鏡上的小幫手──經緯儀與赤道儀
用望遠鏡觀測天空時，必須將望遠鏡穩定指向觀測目標，因此通常會架在可以仔細調整觀星角度的架台上，就像是照相時常用的三腳架一樣。經緯儀是其中一種選擇，它有垂直和水平兩個轉動軸，可以調整望遠鏡的指向，讓星體出現在視野的中央。
然而由於地球自轉的緣故，天體不會一直固定在天空中的同一位置，觀測者必須不斷微調經緯儀，相當麻煩，因此天文愛好者常選擇會隨著地球自轉同步反向轉動的另一種架台：赤道儀。使用者先將赤道儀上的極軸對準北極（大約就是北極星的方向），赤經軸上的馬達會以和地球自轉一樣快的速率往相反的方向轉，如此一來就能抵消地球自轉的效應，使天體一直停留在望遠鏡的視野內。
延伸閱讀
《觀念物理Ⅳ聲學．光學》，休伊特著，天下文化出版
《光學》，周趙遠鳳編著，儒林出版
高二課本《地球與環境》上冊
【完整內容請見《科學人》2010年第106期12月號；科學Easy Learn網路版‧行政院國科會補助案】
|
