天文望远镜是谁研制的(天文望远镜的发展简史)

人类诞生以来,从混沌中涅槃出文明,早期沉浸在星座占卜中,权贵术士们都想控制这通天的本领,统治芸芸众生。
随着文明的积累裂变,总有一些冲在前沿的勇士们为普罗大众开路,创造出各种理论,发明各种工具,想要探知更多天上的事情,揭开更多神秘的面纱。
自从人类对光孜孜不倦的探索,那个神秘的宇宙奥妙越来越走进我们的视野。望远镜依托光学的基本理论,经历前仆后继的科学家们改进和发展,成为当下深空探索中那颗耀眼的明星。寻觅它的发展历程,或许可以发现人类前行中留下的印记。他们认识未知世界不可磨灭的精神意志,同时对知识的日积月累,助推人类不断迈向未来。
公元前470-390年,墨家代表人物墨翟记录了光线成像的观察结果,姑且是文献记载最早的小孔成像实验记录。在《墨经》中曾记载:“光之人,煦若射。下者之人也高,高者之人也下。足蔽下光,故成景于上;首蔽上光,故成景于下。在远近有端,与于光,故景库内也”。
翻译成白话就是说:“物体成像是光线形成的,光线射向人就如射出去的箭一样是直的。所以,人的下面会成像在高处,人的上面会成像在低处。原因是脚遮住了下面的光线所以成像在上面;头遮住了上面的光线,所以成像在下面。小孔的远近影响屏上像的大小”。
同时书中还记录了凹面镜可以聚焦太阳光线的观察结果,又记载:“鉴,中之内,鉴者,远中,则所鉴大,景亦大;近中,则所鉴小,景亦小;而必正。起于中缘正而长其直也。中之外,鉴者,近中,则所鉴者大,景亦大;远中,则所鉴小,景亦小;而必易。合于中缘正而长其直也”
大白话就是说:“如果物体在镜面的球心以内,则成像远离球心,所成的像全而大;靠近球心,则所成的像逐渐缩小,但肯定是正立的像。从球心内发出的光线会反射后直射向远方才形成放大的像。如果物体在镜面的球心以外,则成像靠近球心,所成的像全而大;远离球心,则所成的像逐渐缩小,但肯定是倒立的像。从外界发出的光线会反射后汇聚于球心附近而成缩小的像”。

天文望远镜是谁研制的(天文望远镜的发展简史)

公元前424年,古希腊喜剧之父亚里士多德·芬尼斯记录了装满水的各种形状的玻璃杯可以弯曲太阳光线。
公元前300年左右,希腊数学家欧几里德首次撰写了太阳光线、反射和折射的科学概述。
公元前140年左右,希腊天文学家托勒密著有《光学》一书共5卷。书中描述了平面镜的性质、反射定律、平面镜成像的计算方法,以及折射现象,入射角与折射角的关系等。
900-1100年,一些阿拉伯科学家开始研究光、镜子、透镜等的特性。其中科学家伊本·海瑟姆撰写的《光学之书》传播到欧洲,翻译成拉丁文后,成为欧洲探索透镜的基础。
1300年左右,第一批眼镜被发明了,据说是光学家阿尔马托和意大利人斯皮纳发明的。同期,矫正远视的凸透镜也被发明了。
1451年,德国人尼古拉斯-库萨发明了矫正近视的凹透镜。
1608年,荷兰眼镜制造商汉斯·利珀西提前注册了今天称为望远镜的专利,使得另外两位荷兰科学家申请专利的权利也就落空了。
1609年,意大利天文学家伽利略在前人的基础上凭全能的知识改进了望远镜,发明了人类历史上第一台天文望远镜。最初制作的望远镜,只能放大3倍,经过不断改进,伽利略最终制作出了一个放大倍数为32倍的望远镜。
后来,他通过自己设计的望远镜,第一次看清了月球上的环形山、土星环、太阳黑子甚至是星云团等,发现许多前所未知的天文现象,着实享受了一把“千里眼”带来的星空之旅。

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伽利略望远镜

1611年,约翰内斯·开普勒对望远镜、光学和光线的内部工作原理进行了详细的科学解释,如何用凸透镜的物镜和目镜制作出更有用的望远镜,创造了第一台只聚焦于天文学的望远镜。

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开普勒式折射式望远镜光路图

此后一段时间,大量科学家对天文的挚爱,引导他们努力探索和观察,各种场景的迫切需求,刺激不断对望远镜改进,发明出一些新式望远镜。如荷兰惠更斯的无镜筒望远镜、苏格兰的格雷戈里望远镜、牛顿反射式望远镜、卡塞格伦望远镜等,还有科学家罗伯特·胡克也对望远镜进行了进一步的发展和发明。

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1638年,出现第一台等距安装的望远镜

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1647年,长折射望远镜被发明

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惠更斯望远镜

其中,牛顿在1668年发明了反射望远镜,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。1672年,牛顿又制成了一种新的反射望远镜,一般称为牛顿望远镜,口径仅2.5cm,全长不过15cm,但具有光力强的优点,可以放大40倍,成像清晰,可与2m长的折射望远镜媲美,目前作为珍品收藏在英国皇家学会。

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牛顿望远镜

1720年,英国数学家约翰·哈德利通过研究抛物面镜,显著改进了望远镜。后来,他还发明了一个双反射八分仪,用于测量太阳或一颗恒星在地平线上的经纬度,使精确定位变得容易多了。

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哈德利望远镜

1776年左右,英国天文学家威廉·赫歇尔设计出大型反射望远镜,他一生磨制的反射镜面达四百多块,陆续磨制成功口径分别为15厘米、51厘米、122厘米的巨大反射式望远镜镜面,还造成一架口径1.22米,镜筒长达12米的大型金属反射望远镜,这为他发现天王星及其两颗卫星、土星的两颗卫星、太阳的空间运动、太阳光中的红外辐射奠定了基础。

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赫歇尔40英尺望远镜(约1788年)

1897年,美国耶克斯天文台建造了101.6厘米折射望远镜,这是当时最大的望远镜。随着工业革命带来技术的跃升,建造大口径望远镜也不再受条件制约,一时间掀起建造大型望远镜的高潮。
1913年,德国光学家施密特结合“折射望远镜像差小但有色差而且尺寸越大越昂贵,反射望远镜没有色差、造价低廉且反射镜可以造得很大,但存在像差”的优点,发明了施密特望远镜。
1930年,第一架由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,世界观测日冕的活动逐渐兴起。
1937年,美国人雷伯潜心研制的射电望远镜终于成功了,是当时世界独一无二的抛物面型射电望远镜。
1940年,前苏联光学家马克苏托夫发明马卡苏托夫反射望远镜。同施密特望远镜一样也属于大视场望远镜,所不同的是其改正镜为一块较厚的球面弯月形透镜。
1955年,英国曼彻斯特大学建成当时世界上最大的76米直径的可转抛物面射电望远镜;
1960年,英国剑桥大学卡文迪许实验室的马丁赖尔利用干涉的原理,发明了综合孔径射电望远镜。
1963年,美国波多黎各岛的山谷中建造了镜面直径305米的射电望远镜,后来又过扩建成350米。在中国“天眼”没诞生之前,一直独霸世界,前前后后几千名科学家使用它开展研究。

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1970年,美国发射了第一颗X射线天文卫星——“自由号”发射升空,首次使用伽马射线望远镜。
1983年,美国、荷兰与英国联合发射了世界上第一款红外空间望远镜——红外天文卫星,轨道高度900公里,是太阳同步准极地轨道,绕地周期103分钟。卫星携带有57厘米口径的望远镜,在望远镜的焦平面上排列有4组远红外的探测器。这4组探测器非常灵敏,能记录到两英里外的一粒尘埃,它们探测的波段分别简称为12、25、60和100微米波带,同时使用这4组探测器可以测出红外源的温度,其中短的波长对研究太阳系中较温热的物质尤其有用,而探测较冷的恒星际红外源则更需要较长的波长。

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IRAS

1990年,哈勃望远镜(HST)进入地球轨道,成为有史以来最著名、最重要的望远镜之一。
哈勃望远镜口径为2.4米,长度约16米,运行轨道在距离地表约640公里高空。初始发射带有的主要仪器组成有:广角和行星照相机(WF/PC)、戈达德高解析摄谱仪(GHRS)、高速光度计(HSP)、暗天体照相机(FOC)、暗天体摄谱仪(FOS)。
30多年来,哈勃拍摄了无数的星空照片,刷新了科学家对宇宙奥秘的一次又一次的认知,带给无数天文爱好者挥之不去震撼的瞬间,为天文学的发展立下汗马功劳。

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哈勃望远镜

2001年,多国协作,由美国大学天文联盟(AURA)负责实施的双子望远镜正式投用,它由两个8米望远镜组成,一个放在北半球夏威夷,一个放在南半球智利,以进行全天系统观测。镜面使用银镀膜以增强反光率,可以获得3200公里以外。
2009年,开普勒望远镜在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地17-B发射台发射升空,主要目标是观察我们邻近恒星运行的行星。望远镜携带的光度计装备有直径为95厘米的透镜,它将通过观测行星的“凌日”现象搜寻太阳系外类地行星。
开普勒太空望远镜将对天鹅座和天琴座中大约10万个恒星系统展开观测,以寻找类地行星和生命存在的迹象。

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开普勒望远镜

2020年,世界最大的射电望远镜FAST在贵州黔南州正式开放运行,500米口径球面射电望远镜开创了建造巨型望远镜的新模式,建设了反射面相当于30个足球场的射电望远镜,灵敏度达到世界第二大望远镜的2.5倍以上,大幅拓展人类的视野,用于探索宇宙起源和演化。

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中国天眼

2023年,被誉为哈勃望远镜的继任者,詹姆斯·韦布空间望远镜将正式开工,拍摄第一批用于科学研究的照片。这个经历了无数次预算超支不断推迟的望远镜,会为科学家们带来哪些全新的认知,相信在我们的见证下,这一切会一幕幕穿梭在我们的眼帘。

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