天文望远镜：探索宇宙的神奇之眼
一、天文望远镜的分类概述天文望远镜主要有以下几种分类方式：
按观测波段分类：可分为射电望远镜、红外望远镜、光学望远镜（可见光望远镜）、紫外望远镜、X 射线望远镜和 γ 射线望远镜等。其中，光学望远镜主要观测可见光波段，波长在 380nm - 750nm，是我们肉眼可见的各种颜色。光学望远镜按光路设计又可分为折射式、反射式和折反射式。射电望远镜主要对天体发出的无线电波进行观测，由于大气层对无线电波屏蔽效果较弱，射电望远镜基本不受天气影响，且口径更容易做到更大，如我国 500 米口径的 FAST 是目前世界上单体口径最大的射电望远镜。按安装位置分类：分为地基望远镜和空间望远镜。地基望远镜安装在地面上，是数量最多的天文望远镜，目前国内所有的光学望远镜均为地基望远镜。空间望远镜则位于太空，完全不受大气层的影响，能观测到更清晰的天体图像。例如，哈勃空间望远镜为人类对宇宙的认识做出了巨大贡献。不同分类的天文望远镜具有各自的特点和适用场景，科研人员需根据观测任务选择合适的望远镜。
二、按观测波段分类
（一）光学望远镜
光学天文望远镜主要观测可见光波段，具体说就是波长在 380nm（纳米）-750nm 的光，也就是我们肉眼可见的赤橙黄绿青蓝紫。光学望远镜按光路设计又可分：折射式望远镜（伽利略式、开普勒式）、反射式望远镜（牛顿式、卡塞格林式）和折反射式望远镜（施密特 - 卡塞格林、马克苏托夫 - 卡塞格林）。
折射式望远镜是最古老类型，第一期我们介绍的伽利略望远镜就是典型的折射式望远镜。伽利略望远镜以凸透镜为物镜，以凹透镜为目镜，像差和色差都比较大。后来开普勒对其进行改良，将目镜也改用凸透镜，增大了视场，光学性能更加优良，但像变成了倒立的。折射式望远镜存在色差问题，且物镜受成本和制造工艺限制，无法造出大口径望远镜。
反射式望远镜主要采用一块抛物面反射镜作为主镜，牛顿在磨制透镜多次失败的情况下发明了牛顿式反射望远镜，卡塞格林修改了牛顿式反射望远镜的光路，提高了主镜的焦长，提升了望远镜的放大倍率。反射镜相比折射镜最大的特点是需要镀膜。反射式望远镜光线无需透过介质进行折射，有效避免了色差；反射主镜可进行拼接以造出更大的口径；反射镜可采用主动调节系统以应对镜面变形。
折反射式望远镜是在卡塞格林反射式望远镜的前方加装矫正镜建造的望远镜。施密特 - 卡塞格林式采用非球面透镜作为矫正镜，视野较大，集光能力强，成像效果良好。马克苏托夫 - 卡塞格林式采用弯月形改正镜，视野相对较小，集光能力较弱，但焦距更长，并且有封闭的镜筒和全球面镜的光学系统。
（二）射电望远镜
射电望远镜主要对天体发出的无线电波进行观测。由于大气层对无线电波的屏蔽效果较弱，使得射电望远镜基本不受天气的影响。加之无线电波对射电望远镜主镜的材质要求不高，使得射电望远镜口径相比光学望远镜更容易做到更大。我国 500 米口径的 FAST 是目前世界上单体口径最大的射电望远镜。
射电望远镜的两个重要指标就是灵敏度和分辨率。FAST 建在贵州的喀斯特地貌大窝凼中，主要是因为这里能减少信号干扰。中国科学院新疆天文台 110 米口径全可动射电望远镜 QTT 也正在建设之中。
射电望远镜主要分为单口径射电望远镜和阵列式射电望远镜。单口径射电望远镜口径大，灵敏度高，指向性好，数据处理相对简单，运行和控制相对简单，但是运维及造价高昂。如中国天眼（FAST）、阿雷西博射电望远镜、美国绿岸 100 米射电望远镜（GBT）、德国 100 米射电望远镜、新疆奇台 110 米望远镜（QTT）、上海 65 米射电望远镜等。阵列式射电望远镜由多个小口径射电望远镜组成，以高分辨率与高灵敏度为目标。如明安图射电频谱日像仪、21 厘米低频射电阵列（21CMA）。
（三）其他波段望远镜
除了光学望远镜和射电望远镜外，还有红外、紫外、X 射线和 γ 射线望远镜等。因篇幅问题，这里未详细介绍。但这些不同波段的望远镜在观测宇宙中各自发挥着重要作用，为人类探索宇宙提供了更多的手段和视角。例如，红外线望远镜可以在夜间使用，透过云雾能力比可见光强，在通讯、探测、医疗、军事等方面有广泛的用途。X 射线望远镜可以观测天体的 X 辐射，帮助我们了解天体的物理性质和演化过程。γ 射线望远镜则可以探测宇宙中的高能辐射源，为研究宇宙中的极端物理现象提供重要线索。
三、按安装位置分类
（一）地基望远镜
地基望远镜安装在地面上，是数量最多的天文望远镜类型。目前国内所有的光学望远镜大多为地基望远镜，这是由于地基望远镜在建设和维护成本上相对较低，同时也便于科学家进行观测和研究。
如文章中提到的各种大型光学望远镜，如加那列大型望远镜、凯克望远镜、甚大望远镜等，它们都是地基望远镜的代表。这些望远镜通常建在高海拔、干燥、大气稳定的地区，以减少大气对观测的影响。例如，加那列大型望远镜位于西班牙的加那利群岛，这里的高海拔和干燥气候为其提供了良好的观测条件。凯克望远镜坐落于夏威夷莫纳克亚山顶，海拔 4200 米，高海拔使得大气稀薄，减少了大气湍流对观测的干扰。甚大望远镜位于智利帕瑞纳天文台，同样选择了高海拔地区以获得更好的观测效果。
地基望远镜的优势在于其相对稳定的观测环境和较低的建设成本。与空间望远镜相比，地基望远镜的维护和升级更加方便，科学家可以随时对其进行调整和改进。此外，地基望远镜可以使用更大的口径，从而获得更高的分辨率和灵敏度。例如，有计划建造的 “大麦哲伦” 号地基望远镜，据说成像清晰度将达到 “哈勃” 太空望远镜的 10 倍。
然而，地基望远镜也面临着一些挑战。由于其安装在地面上，不可避免地会受到大气的影响，如大气湍流、云层、大气吸收等。这些因素会降低观测的质量和精度，尤其是在可见光波段。为了克服这些问题，科学家们采用了各种技术手段，如自适应光学系统、干涉测量技术等。
（二）空间望远镜
空间望远镜位于地球大气层之外，完全不受大气层的影响，能够观测到更清晰、更准确的天体图像。其中最著名的空间望远镜当属哈勃空间望远镜。哈勃望远镜以美国天文学家埃德温・哈勃的名字命名，于 1990 年 4 月 24 日由发现号航天飞机发射升空，工作在可见光和近紫外波段，1997 年维修之后具备了近红外观测能力。
哈勃望远镜的优势在于其不受大气层的干扰，可以获得更高质量的观测数据。它能够观测到更暗弱的天体，分辨出更细微的结构，为人类对宇宙的认识做出了巨大贡献。例如，哈勃望远镜拍摄了许多著名的天体照片，如 “创生之柱” 等，这些照片展示了宇宙中令人惊叹的美丽和神秘。
除了哈勃望远镜，还有其他一些著名的空间望远镜，如詹姆斯・韦布空间望远镜、康普顿伽玛射线天文台、钱德拉 X 射线天文台和史匹哲太空望远镜等。这些空间望远镜分别工作在不同的波段，为人类探索宇宙提供了多方面的视角。
空间望远镜的建设和维护成本非常高，而且一旦出现故障，维修难度也很大。例如，哈勃望远镜在发射后不久就出现了一些问题，需要进行多次维修任务。此外，空间望远镜的寿命也受到限制，通常只有几年到十几年不等。
尽管空间望远镜面临着诸多挑战，但它们仍然是人类探索宇宙的重要工具。随着技术的不断进步，未来的空间望远镜将会更加先进，为人类对宇宙的认识带来更多的突破。
四、折射式望远镜详解
（一）发展历程
折射式望远镜是最早被制造和使用的望远镜类型。1608 年，荷兰眼镜商汉斯・李普希发明了折射望远镜。1609 年，意大利天文学家伽利略制成一架以凸透镜为物镜、凹透镜为目镜的望远镜，放大率达 33 倍，并用它观测月亮、太阳、恒星和银河系，发现了木星卫星，并测定了太阳黑子周期。1611 年，德国天文学家开普勒对伽利略望远镜进行改良，将目镜也改用凸透镜，增大了视场，光学性能更加优良，但像变成了倒立的。随着技术的发展，1757 年，杜隆建立了消色差透镜的理论基础，并用冕牌玻璃和火石玻璃制造了消色差透镜。然而，由于技术限制，很难铸造较大的火石玻璃，在消色差望远镜的初期，最多只能磨制出 10 厘米的透镜。19 世纪末，制造技术提高，出现了制造大口径折射望远镜的高潮，1897 年建成的口径 102 厘米的叶凯士望远镜是当时世界上最大的折射望远镜。但进入 19、20 世纪，随着天文学研究的不断深入，折射式望远镜由于自身限制逐渐被反射式望远镜、折反式望远镜所取代。
（二）类型特点
折射式望远镜根据镜片形状可分为不同类型。常见的有使用抛物面反射镜的类型，这种类型的望远镜能较好地聚焦光线，但也存在一定的球差问题。还有使用球面反射镜的类型，虽然加工相对容易，但成像质量不如抛物面反射镜。此外，还有使用菲涅耳透镜的类型，这种透镜通过特殊的设计可以减轻重量和减少色差。折射式望远镜的成像通常是倒立的，为了使眼睛观察到正像，需要在物镜后面添加棱镜组或透镜组来转像。在镜片结构方面，折射式望远镜有不同等级。有使用有机玻璃的地摊货，成像质量较差；有用单片玻璃的便宜货，性能一般；有使用普通消色差镜片又物美价廉的大众货，能在一定程度上减少色差；还有使用多片式镜片的 ED/APO 高级货，成像更犀利，但价格和重量也相应增加。
（三）优缺点
折射式望远镜的优点有很多。首先，它比较轻便，易于携带和安装使用。其次，视场清晰，观测者可以针对不同大小的观测目标更换目镜，调整放大倍数。对于小型折射式望远镜，适合欣赏较广的夜空天体；口径 100 毫米及以上的大型折射式望远镜的集光能力大为增强，在较好的气象条件下可观测天体可以多达数百个。然而，折射式望远镜也有明显的缺点。一方面，当口径较大时，价格昂贵且重量大。对于业余爱好者来说，大口径镜片意味着高成本，而且又大又重，不便搬运和操作。另一方面，折射式望远镜存在色差问题，尽管有消色差设计，但仍有残余的色差，对紫外、红外波段的辐射吸收很厉害。此外，大尺寸透镜会丧失明锐的焦点。总体来说，折射望远镜适用与中小型天文望远镜及专用仪器上，可作为普通双筒望远镜使用。
五、反射式望远镜详解
（一）发明由来
牛顿在磨制非球面透镜多次失败后，改而采用镜面反射成像的方式，于 1668 年发明了第一架反射式望远镜。这种望远镜主要是在主镜反射光束中加一块平面镜，与主镜光轴交角 45°，使光束折转 90°，从而使天体像成于镜筒外侧，便于观测。后来他又制作了第二架反射望远镜，物镜口径为 5 厘米。1672 年 1 月 11 日，牛顿将这一架望远镜赠送给英国皇家学会，现在这架反射望远镜，仍然被英国很好地保存着。
（二）类型特点
反射式望远镜根据主镜形状可以分为多种类型。常见的有牛顿式反射望远镜、卡塞格林式反射望远镜等。
牛顿式反射望远镜：通常利用一个凹的抛物面反射镜将进入镜头的光线汇聚后反射到位于镜筒前端的一个面镜上，然后再由这个平面镜将光线反射到镜筒外的目镜里。这种望远镜的优点是反射镜的造价要比透镜低得多，对于大口径的望远镜来说，经常做成反射式的。便携式设计的反射望远镜，虽然镜筒只有 500mm，但焦距却可以达到 1000mm。牛顿式反射镜的焦比可以达到 f/4 到 f/8，非常适合观测那些暗弱的河外星系、星云。有些时候用这种望远镜观测月亮和行星也是很适合的。如果要进行拍照，使用牛顿式望远镜时非常好的。缺点是开放的镜筒式的空气可以流通，这样不仅会影响到成像的稳定度，而且一些尘埃会随着流动的空气进入镜筒并附着在物镜上，长此以往会破坏物镜表面的镀膜，使其反射力下降。由于这种结构的物镜比较容易破裂，所以使用的时候需要倍加小心。对于偏轴的光线，牛顿式望远镜会产生彗差。这种结构的望远镜不适合于对地面景观的观测。通常牛顿式望远镜的口径和体积都比较大，因此价格也比较昂贵。由于加了一个级平面反射镜，所以会损失一些光线。卡塞格林式反射望远镜：由两块反射镜组成，反射镜中大的称为主镜，小的称为副镜。通常在主镜中央开孔，成像于主镜后面，它的焦点称为卡塞格林焦点。有时也按图中虚线那样多加入一块斜平面镜，成像于侧面，这种卡塞格林望远镜，又称为耐司姆斯望远镜。卡塞格林式反射望远镜的优点是可以通过调整副镜的位置和角度来改变焦距和放大倍率，从而适应不同的观测需求。缺点是结构相对复杂，需要精确的调整和校准才能获得良好的成像效果。
反射式望远镜的口径往往较大，业余反射式望远镜的口径可达 500 毫米。反射式望远镜一般有两种安装构型。口径小于 300mm 的可象折射式望远镜那样安装在赤道仪、经纬仪或者三脚架上。而对于大口径反射镜而言，另一种广受欢迎的方式就是将镜筒安装，或者说是 “坐” 在旋转底座上。这种安装方式使得望远镜可以自由上下旋转，指哪儿打哪儿，也就是人们常说的道布森式望远镜。
（三）优缺点
优点：反射式望远镜的性价比非常高。相比折射式望远镜，反射式望远镜在同等口径下造价更为低廉。例如，一些大口径的反射式望远镜可以观测到非常暗弱的天体，其视场效果可以与昂贵的折射式望远镜相媲美。此外，反射式望远镜的光力强，适合观测暗弱天体的分光、测光以及照相工作。缺点：反射式望远镜的性能很大程度上取决于所使用的物镜。通常使用的球面物镜具有容易加工的特点，但是如果所设计的望远镜焦比比较小，则会出现比较严重的光学球差。由于平行光线不能精确的聚焦于一点，所以物象将会变得模糊。因而大口径，强光力的反射式望远镜的物镜通常采用非球面设计，最常见的非球面物镜是抛物面物镜。即使是抛物面物镜的望远镜仍然会存在轴外像差。另外，反射式望远镜需要调校准光轴，这一过程相对复杂，需要一定的技术和经验。而且，大口径的反射式望远镜通常体积较大，携带不便。
六、折反射式望远镜详解
（一）结构原理
折反射式望远镜是一种将折射系统与反射系统相结合的光学望远镜。其光路中既有折射又有反射，通过这种独特的设计，可以有效地消除像差，从而获得更清晰的天体图像。其中，施密特 - 卡塞格林式和马克苏托夫 - 卡塞格林式是两种最为常见的折反射式望远镜。
施密特 - 卡塞格林式望远镜采用非球面透镜作为矫正镜，其工作原理是光线先通过非球面矫正镜发生折射，然后再经过主反射镜反射到副镜，最后会聚到目镜成像。这种设计使得施密特 - 卡塞格林式望远镜具有较大的视野，集光能力强，成像效果良好。
马克苏托夫 - 卡塞格林式望远镜则采用弯月形状透镜作为改正透镜。光线首先通过弯月形改正镜发生折射，接着经过主反射镜反射到副镜，最后同样会聚到目镜成像。马克苏托夫 - 卡塞格林式望远镜的镜筒相对较短，但视场比施密特 - 卡塞格林式望远镜小，对玻璃的要求也更高一些。
（二）类型特点
不同类型的折反射式望远镜具有不同的特点。施密特 - 卡塞格林式望远镜以其非球面矫正镜的设计，拥有较大的视野和较强的集光能力。它非常适合观测延伸天体，如彗星、星系、弥散星云等，并且可进行巡天观测。此外，施密特 - 卡塞格林式望远镜的光学性能稳定，成像质量高，在天文观测和摄影等领域得到了广泛的应用。
马克苏托夫 - 卡塞格林式望远镜虽然视场相对较小，但它具有焦距更长的特点。其封闭的镜筒和全球面镜的光学系统，使得它在观测时能够更好地抵抗外界环境的干扰，提供更为稳定的成像效果。同时，马克苏托夫 - 卡塞格林式望远镜的结构紧凑，便于携带和安装，适合天文爱好者在户外进行观测。
（三）优缺点
折反射式望远镜具有许多优点。首先，它的成像清晰，能够为观测者提供高质量的天体图像。其次，折反射式望远镜的镜筒通常是密封的，这可以使主镜反射膜的镀铝或镀银层不易氧化，也不容易积存灰尘，便于存放和保养。此外，折反射式望远镜的结构紧凑，相对轻便，便于携带和使用。
然而，折反射式望远镜也存在一些缺点。一方面，寻找小天体并跟踪它们对于折反射式望远镜来说较为困难。由于其设计特点，在观测小天体时可能需要更多的时间和技巧来调整望远镜的位置和焦距。另一方面，折反射式望远镜的价格相对较高。其复杂的结构和高质量的光学元件使得制造成本增加，从而导致市场价格较高。这对于一些预算有限的天文爱好者来说可能是一个限制因素。
综上所述，折反射式望远镜在天文观测中具有独特的优势和特点，但也存在一些不足之处。在选择天文望远镜时，观测者需要根据自己的需求和预算来综合考虑各种因素，以选择最适合自己的望远镜类型。
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