光學(xué)望遠(yuǎn)鏡行星搜尋

"地外行星搜尋者"是美國(guó)宇航局空間計(jì)劃的"點(diǎn)睛"之筆，計(jì)劃于2012年 發(fā)射升空。它匯集了人類(lèi)太空望遠(yuǎn)鏡 技術(shù)的精華，將在尋找太空生命方面嶄露頭角。"地外行星搜尋者"的設(shè)計(jì)思路與空間干涉望遠(yuǎn)鏡相似，但在規(guī)模與性能上有重大突破?？臻g干涉望遠(yuǎn)鏡的可收卷鏡陣延伸9米上下，而"地外行星搜尋者"的鏡面陣列延展可達(dá)百米。利用它空前的分辨率，人們將足以探明，在太陽(yáng)系鄰近數(shù)十光年之內(nèi)，是否存在與地球條件相似的行星，并進(jìn)一步為解開(kāi)地外生命的"懸念"獲取寶貴的線(xiàn)索。

總之，21世紀(jì)的"天眼"，將具備前所未有的高靈敏度、高分辨率、大視場(chǎng)以及多天體觀測(cè)能力。就整體而言，它們觀測(cè)宇宙的效能將全面超越其"老大哥"，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，從而全方位地開(kāi)闊人類(lèi)探測(cè)宇宙的視界。長(zhǎng)久以來(lái)，人們仰望天空，看見(jiàn)日月星辰東升西落，有過(guò)天圓地方、地心說(shuō)、日心說(shuō)等宇宙模型。從前，人們只能用肉眼對(duì)星空進(jìn)行觀察，觀測(cè)范圍非常局限，所得的數(shù)據(jù)資料也就非常有限。

1917年，胡克望遠(yuǎn)鏡在加州威爾遜山天文臺(tái)建成。其主反射鏡直徑為2.54 米，在其建成后30年，它一直是全世界最大的天文望遠(yuǎn)鏡。正是利用這座望遠(yuǎn)鏡，埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)了銀河系外的星系，并找到了宇宙膨脹的證據(jù)。

直徑5.08米的海爾反射式望遠(yuǎn)鏡坐落在美國(guó)帕洛瑪山上。它于上世紀(jì)三四十年代建造，1948年完成，建造技術(shù)在當(dāng)時(shí)堪稱(chēng)奇跡。雖然從1993年以后，海爾作為最大反射式光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的地位已被取代，但仍在為宇宙探索發(fā)揮重要作用。

目前世界上最大的光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡，位于夏威夷莫納克亞山。其雙子Keck I和KeckII分別在1993年和1996年建成。直徑都是10米，由36塊直徑1.8米的六角鏡面拼接組成。通過(guò)電腦控制的主動(dòng)光學(xué)支撐系統(tǒng)調(diào)節(jié)，使鏡面保持極高的精度。

1999年，歐洲南方天文臺(tái)在智利建造了超大望遠(yuǎn)鏡。它是由4臺(tái)8米直徑望遠(yuǎn)鏡組成的一臺(tái)等效直徑達(dá)到16米的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。這4臺(tái)望遠(yuǎn)鏡可以組成一個(gè)干涉陣，做兩兩干涉觀測(cè)，也可以單獨(dú)使用每一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡。它可以在不同波段觀測(cè)超新星等遙遠(yuǎn)天體。

日本的昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡是目前世界上最大直徑的單面反射鏡，其直徑達(dá)8.3米。坐落在夏威夷莫納克亞山上，建造完成于1999年。據(jù)稱(chēng)，僅僅是拋光其超大鏡面就花去了7年時(shí)間。昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡使用了主動(dòng)光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，支持鏡面的是261個(gè)機(jī)械手指，它們可以不斷調(diào)整鏡面的形狀以獲得最佳成像。

光學(xué)望遠(yuǎn)鏡分為折射式望遠(yuǎn)鏡、反射式望遠(yuǎn)鏡、施密特望遠(yuǎn)鏡。19世紀(jì)初期折射式 望遠(yuǎn)鏡還是天文學(xué)界的主流，當(dāng)時(shí)研究的重點(diǎn)在天體測(cè)量，鄰近恒星的位置測(cè)定。隨著時(shí)代的演變，天文學(xué)家開(kāi)始探索到銀河系以外的星系，研究整個(gè)宇宙的結(jié)構(gòu)，巨無(wú)霸的大型反射望遠(yuǎn)鏡便取代折射式望遠(yuǎn)鏡的地位。

而施密特望遠(yuǎn)鏡更拍攝到許多深遠(yuǎn)微暗的天體照片，讓天文學(xué)家能按圖索驥地去研究探索數(shù)10億光年之遙的宇宙深處。所以20世紀(jì)是反射式望遠(yuǎn)鏡與施密特望遠(yuǎn)鏡的時(shí)代，而21世紀(jì)更將是無(wú)線(xiàn)電電波望遠(yuǎn)鏡的時(shí)代。

19世紀(jì)天文望遠(yuǎn)鏡主流──折射式德國(guó)漢堡大學(xué)80厘米折射鏡。

20世紀(jì)統(tǒng)一天文學(xué)語(yǔ)言的施密特望遠(yuǎn)鏡，這是澳洲的UKST。

20世紀(jì)天文望遠(yuǎn)鏡主流──反射式，這是德國(guó)蔡司的3.5口徑反射望遠(yuǎn)鏡。

光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，使用人眼可見(jiàn)光形成恒星和星系的像的望遠(yuǎn)鏡，是用于收集可見(jiàn)光的一種望遠(yuǎn)鏡，并且經(jīng)由聚焦光線(xiàn)，可以直接放大影像、進(jìn)行目視觀測(cè)或者攝影等等，特別是指用于觀察夜空，固定在架臺(tái)上的單筒望遠(yuǎn)鏡，也包括手持的雙筒鏡和其他用途的望 遠(yuǎn)鏡。

關(guān)于反射、折射和折反射望遠(yuǎn)鏡具體設(shè)計(jì)和詳細(xì)的資料，請(qǐng)參閱反射望遠(yuǎn)鏡、折射望遠(yuǎn)鏡和折反射望遠(yuǎn)鏡條目

設(shè)計(jì)圖中最基本的元素是收集光線(xiàn)的物鏡(透鏡(1)或凹面鏡)、在一段距離外的物體(4)在焦平面上形成一個(gè)實(shí)像(5)。這個(gè)影像可以被記錄或經(jīng)過(guò)作用如同放大鏡的目鏡(2)，讓眼睛(3)可以看見(jiàn)遠(yuǎn)處被放大的虛像(6)。

刻卜勒式望遠(yuǎn)鏡的簡(jiǎn)圖。

使用兩個(gè)凸透鏡成像的望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生的影像是倒置的，觀賞地面景物的望遠(yuǎn)鏡和雙筒望遠(yuǎn)鏡使用棱鏡(一般為普羅棱鏡)或是在物鏡和目鏡之間再安裝一個(gè)或更多的透鏡將影像轉(zhuǎn)正，這樣就能看見(jiàn)正立像。

許多形式的望遠(yuǎn)鏡會(huì)使用次鏡(副鏡)甚至第三個(gè)鏡片來(lái)折疊光路，這些也許是光學(xué)設(shè)計(jì)的整體部分(卡塞格林反射鏡和其他類(lèi)似)，但也有望遠(yuǎn)鏡以更簡(jiǎn)潔的方法和在更方便的位置上安置目鏡或探測(cè)器使用。在大型望遠(yuǎn)鏡上，這些附加的鏡片通常是為了提供更大的視野或是改善影像的品質(zhì)。

忽略大氣擾動(dòng)(視寧度或稱(chēng)視象度)對(duì)影像品質(zhì)的影響和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的缺點(diǎn)，一架光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的角分辨率取決于物鏡，也就是望遠(yuǎn)鏡口徑大小。

實(shí)際上，口徑越大，角分辨率就越好。此處要特別強(qiáng)調(diào)的是，角分辨率不是為望遠(yuǎn)鏡的最大放大率(或倍率)所提供的，經(jīng)銷(xiāo)商所提供的最大倍數(shù)是望遠(yuǎn)鏡倍率的上限值，由于超越了物鏡能力范圍的最大倍率與角分辨率，不能把影像變得更清楚，通常得到的影像品質(zhì)也是最差的。

對(duì)大型的固定地基望遠(yuǎn)鏡，角分辨率的極限是由視象度決定，現(xiàn)今發(fā)展之望遠(yuǎn)鏡安置在大氣層之上，來(lái)消除空氣對(duì)影像擾動(dòng)影響角分辨率，也就是太空望遠(yuǎn)鏡、氣球望遠(yuǎn)鏡和安裝在飛機(jī)上的望遠(yuǎn)鏡(古柏機(jī)載天文臺(tái)、同溫層紅外線(xiàn)天文臺(tái)(SOFIA)或?qū)⒌鼗h(yuǎn)鏡加裝調(diào)適光學(xué)和斑點(diǎn)成像。)

近來(lái)，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的綜合口徑陣列變得更實(shí)用，經(jīng)由空間中一組小口徑望遠(yuǎn)鏡組合，在小心操控的光學(xué)平面連結(jié)下，可以獲得更高的分辨率。但是這些干涉儀仍只能用于觀測(cè)明亮天體，像是恒星或是活躍星系核，例如參宿四的星斑影像可以在此看見(jiàn)。

焦距決定了望遠(yuǎn)鏡在配上目鏡、一定大小的CCD或普通底片后可能觀看的視野大小。望遠(yuǎn)鏡的焦比(焦距比或f數(shù)，即攝影術(shù)語(yǔ)之"光圈")是焦長(zhǎng)和物鏡口徑(直徑)比值。因此當(dāng)口徑(集光力)不變時(shí)，焦比低的視野較大。廣角望遠(yuǎn)鏡(像是天體照相儀)用來(lái)追蹤衛(wèi)星和小行星，或是從事宇宙射線(xiàn)的研究和巡天觀測(cè)。低焦比望遠(yuǎn)鏡的像差比高焦比的更難以消除。

一架望遠(yuǎn)鏡的集光力直接與物鏡(透鏡或鏡片)的直徑(即口徑)有關(guān)。要注意圓面積與半徑的平方成正比，因此當(dāng)望遠(yuǎn)鏡的鏡片直徑增加三倍時(shí)，集光力會(huì)增加九倍，口徑越大收集的光線(xiàn)越多;另外靈敏度高的影像設(shè)備(如CCD)能在較少的光量下獲得比較好的影像品質(zhì)。

幾乎所有用于研究的大型天文望遠(yuǎn)鏡都是反射鏡，其原因是:

光學(xué)望遠(yuǎn)鏡大小在20世紀(jì)穩(wěn)定的增加，在1910至1940年增加一倍，在1940至1990年又增加一倍?，F(xiàn)在最大的望遠(yuǎn)鏡是11公尺的SALT和Hobby-Eberly望遠(yuǎn)鏡，以及10.4公尺的 Gran Telescopio Canarias。

在1980年代，在技術(shù)上作出改進(jìn)的新一代望遠(yuǎn)鏡有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，這些進(jìn)步包括多鏡片望遠(yuǎn)鏡，可以控制鏡片的個(gè)人電腦，另一個(gè)主要的進(jìn)展是旋轉(zhuǎn)的熔爐，可以用離心力讓望遠(yuǎn)鏡的鏡片在融爐中就接近要磨制的形狀(曲率半徑)。

由于雙筒望遠(yuǎn)鏡有視場(chǎng)較廣，較明亮且容易操作、較專(zhuān)業(yè)望遠(yuǎn)鏡便宜等原因，成為天文愛(ài)好者平時(shí)學(xué)習(xí)觀測(cè)的常用器材，而較大口徑的雙筒望遠(yuǎn)鏡更成為了一些天文愛(ài)好者成功尋得新彗星的重要器材;另外亦有天文愛(ài)好者嘗試把兩具同一口徑的反射望遠(yuǎn)鏡組裝成雙筒望遠(yuǎn)鏡。

完全由中國(guó)自主發(fā)明的新型大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡---大天區(qū)面積光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)在位于河北省興隆縣的國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)基地落成。這標(biāo)志著中國(guó)第一次在望遠(yuǎn)鏡類(lèi)型上占有一席之地。

在技術(shù)上，LAMOST在其反射施密特改正鏡上同時(shí)采用了薄鏡面主動(dòng)光學(xué)和拼接鏡面主動(dòng)光學(xué)技術(shù)，突破了世界上光學(xué)望遠(yuǎn)鏡大視場(chǎng)不能同時(shí)兼?zhèn)浯罂趶降钠款i，使中國(guó)主動(dòng)光學(xué)技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先地位。它采用的并行可控式光纖定位技術(shù)解決了同時(shí)精確定位4000個(gè)觀測(cè)目標(biāo)的難題，是一項(xiàng)國(guó)際領(lǐng)先的技術(shù)創(chuàng)新。

該望遠(yuǎn)鏡的各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到甚至超過(guò)設(shè)計(jì)要求，在調(diào)試過(guò)程中單次觀測(cè)可同時(shí)獲得3000多條天體光譜的能力，已成為中國(guó)最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、世界上最大口徑的大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡，也是世界上光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡。大量天體光學(xué)光譜的獲取是大視場(chǎng)、大樣本天文學(xué)研究的關(guān)鍵。但迄今由成像巡天記錄下來(lái)的數(shù)以百億計(jì)的各類(lèi)天體中，只有約萬(wàn)分之一進(jìn)行過(guò)光譜觀測(cè)。LAMOST將突破天文研究中光譜觀測(cè)的這一瓶頸，對(duì)上千萬(wàn)個(gè)星系、類(lèi)星體等河外天體的光譜巡天，將在河外天體物理和宇宙學(xué)研究以及河內(nèi)天體物理和銀河系研究上作出重大貢獻(xiàn)。中科院常務(wù)副院長(zhǎng)、LAMOST工程項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人白春禮在的落成典禮上說(shuō)，LAMOST的建成和投入觀測(cè)，將使中國(guó)具備世界領(lǐng)先的主動(dòng)光學(xué)技術(shù)和多目標(biāo)光譜觀測(cè)能力;將為中國(guó)天文學(xué)研究增添高水平的觀測(cè)設(shè)施和平臺(tái);將為中國(guó)在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)、銀河系結(jié)構(gòu)、暗能量等相關(guān)領(lǐng)域的研究提供必要的條件和技術(shù)支撐。

美加兩國(guó)科學(xué)家7月21日宣布，建成后將成為世界最大光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的30m口徑望遠(yuǎn)鏡(TMT)確定在夏威夷的莫納克亞山山頂建造。TMT將由美國(guó)加州理工學(xué)院、加州大學(xué)和加拿大大學(xué)天文學(xué)研究協(xié)會(huì)組成的聯(lián)盟聯(lián)合建造，預(yù)計(jì)2011年動(dòng)工。TMT預(yù)計(jì)耗資10億美元.聯(lián)盟目前已收到的資助和承諾的資助共3億美元.還不到計(jì)劃中的1/3。聯(lián)盟希望美國(guó)政府、私人基金會(huì)和國(guó)外合作伙伴能夠補(bǔ)足剩余的資金。

月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)"人類(lèi)首次":首次依托地外天體平臺(tái)開(kāi)展自主天文觀測(cè)，和首次月基-地基天文聯(lián)合觀測(cè)。月球上晝夜更替需要半個(gè)月，晝夜溫差超過(guò)300℃，夜晚的溫度只有-180℃，持續(xù)的低溫不利于開(kāi)展探月工作。于是月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡同嫦娥一起，月晝工作，夜晚休眠。每當(dāng)寒冷的長(zhǎng)夜接近尾聲，月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡就會(huì)被自動(dòng)喚醒，開(kāi)始它連續(xù)半個(gè)月的月晝觀測(cè)。

月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的三種工作模式:

1.待機(jī)模式

處于加電但不獲取探測(cè)數(shù)據(jù)，且不進(jìn)行指向調(diào)整的狀態(tài)

2.指向調(diào)整模式

處于指向調(diào)整狀態(tài)

3.探測(cè)模式

處于開(kāi)機(jī)獲取探測(cè)數(shù)據(jù)狀態(tài)，當(dāng)月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡指向觀測(cè)天區(qū)，滿(mǎn)足開(kāi)機(jī)成像條件時(shí)，進(jìn)入探測(cè)模式

長(zhǎng)夜結(jié)束，月晝來(lái)臨時(shí)，月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡會(huì)收到電控箱指令加電，隨后進(jìn)入初始模式，以默認(rèn)參數(shù)開(kāi)始工作。在地面觀測(cè)計(jì)劃事件表注入后，月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡會(huì)根據(jù)注入事件表停止初始模式，轉(zhuǎn)入事件表要求的常規(guī)觀測(cè)任務(wù)。

嫦娥三號(hào)著陸后或進(jìn)入月晝后允許月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡開(kāi)始工作時(shí)，在月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡所在艙體蓋板打開(kāi)前需要進(jìn)行儀器定標(biāo)觀測(cè);等艙體蓋板打開(kāi)后，首先需要進(jìn)行軸系定標(biāo)觀測(cè)，采集數(shù)據(jù)用于地面匹配天文坐標(biāo)和轉(zhuǎn)臺(tái)軸系坐標(biāo);軸系定標(biāo)完成后月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以進(jìn)入正式天文觀測(cè)，包括定點(diǎn)/流量定標(biāo)觀測(cè)和巡天觀測(cè);最后，在進(jìn)入月夜前需要提前關(guān)閉艙體蓋板，進(jìn)行儀器定標(biāo)觀測(cè)后再結(jié)束月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的工作。

在月球上觀測(cè)深空有兩大優(yōu)勢(shì)。一是月球自轉(zhuǎn)比地球緩慢，自轉(zhuǎn)一周需要27天多，可對(duì)一個(gè)目標(biāo)開(kāi)展長(zhǎng)達(dá)300多小時(shí)的持續(xù)跟蹤。二是避開(kāi)大氣影響，可以獲得極高精度的觀測(cè)數(shù)據(jù)。尤其在地球上無(wú)法實(shí)現(xiàn)近紫外波段的深空觀測(cè)，都被大氣吸收了。

月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡安裝在嫦娥三號(hào)的著陸器上。月夜非常寒冷，嫦娥三號(hào)夜晚休眠，白天干活。白天看星星，這在地球上都辦不到，通過(guò)科研人員的努力將在月球上實(shí)現(xiàn)。

這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的特點(diǎn):抗雜光干擾能力強(qiáng);環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可在零下20攝氏度至40攝氏度的溫度下工作;自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡機(jī)架任意姿態(tài)的指向控制。

月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡由望遠(yuǎn)鏡主體和反射鏡二維轉(zhuǎn)臺(tái)兩部分組成，重達(dá)10多公斤，轉(zhuǎn)臺(tái)搭載反射鏡實(shí)現(xiàn)二維轉(zhuǎn)動(dòng)，使得指定空域的目標(biāo)在望遠(yuǎn)鏡主體中成像，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)同一目標(biāo)的長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)，也可以?huà)咭暽羁諏?shí)現(xiàn)對(duì)不同天區(qū)的觀測(cè)。

月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在紫外波段工作，月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和地球上的望遠(yuǎn)鏡同步工作，地球上能得到可見(jiàn)光、紅外波段的數(shù)據(jù)，月球上能得到另外一個(gè)波段的數(shù)據(jù)，這就可以得到星體從短波到長(zhǎng)波觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)科研是非常有意義的。

有中國(guó)"哈勃"之稱(chēng)的空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡是我國(guó)第一個(gè)正在研制的天文觀測(cè)衛(wèi)星，望遠(yuǎn)鏡口徑一米，衛(wèi)星總重量達(dá)兩噸，是目前世界上最大的熱光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，上面配有多種望遠(yuǎn)鏡。在中科院9日舉行的科技創(chuàng)新案例報(bào)告會(huì)上，國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)艾國(guó)祥院士在接受記者專(zhuān)訪(fǎng)時(shí)透露，我國(guó)將在"十一五"期間發(fā)射這臺(tái)空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡。艾國(guó)祥是國(guó)家科學(xué)工程項(xiàng)目"空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡"的首席科學(xué)家，早年他曾主持研制、發(fā)明了太陽(yáng)磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡、多通道濾光鏡、太陽(yáng)多通道望遠(yuǎn)鏡和兩維同時(shí)光譜儀等。艾國(guó)祥說(shuō)，中國(guó)幾年前開(kāi)始正式研制自己天文探測(cè)衛(wèi)星，其中，空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡作為衛(wèi)星的有效載荷，重量占衛(wèi)星總重量的65%，為1.2噸。