现代大型望远镜和自适应光学-天文学教程上册

望远镜的集光能力随着口径的增大而增强，望远镜的集光能力越强，就能够看到更暗更远的天体。因此，天文学的发展需要更大口径的望远镜。但是，随着望远镜口径的增大，一系列的技术问题会接踵而来。自20世纪70年代以来，在望远镜的制造方面发展了许多新技术，其中涉及光学、力学、计算机、自动控制和精密机械等领域，特别是主动光学和自适应光学技术的出现和应用，使望远镜的设计思想有了一个飞跃。

1）现代大型望远镜

现代已使用的大型望远镜多数是反射望远镜和折反射望远镜，表4-1列出它们的情况。欧洲南方天文台（简称“欧南台”，ESO）的等效口径为16 m的甚大望远镜（VLT）由4个直径为8.2 m的反射镜（R-C）组成。两架Keck望远镜都是由36个口径为1.8 m的反射镜（每个都是口径为10 m的抛物面的一部分）拼镶的。光谱巡天Hobby-Eberly望远镜是美国和德国合作的，由91个球面反射镜组合，等效口径为9.2 m。美国、英国、加拿大、智利、阿根廷和巴西合作的双子（Gemini）望远镜有两架口径为8.1 m的望远镜，放在南、北半球各一架。日本的等效口径为8.3 m的（R-C）昴星团望远镜（Subaru）安装在夏威夷。

表4-1　口径大于3 m的反射望远镜

（续表）

另外，美国和意大利合作的等效口径为11.8 m的哥伦布（Columbus）大双筒望远镜（LBT）为2个8.4 m卡式反射镜。西班牙的等效口径为10.4 m的GTC（GranTelescope Canarias）类似于Keck组合。南非大望远镜（SALT）是孪生的Hobby-Eberly（多球面组合）望远镜，由91个六角形（内径为1 m）反射镜合并为11.1 m×9.8 m的球面，等效口径为9.2 m。

改正镜口径大于1 m的折反射望远镜列于表4-2。

表4-2　改正镜口径大于1 m的折反射望远镜

*这里是马克苏托夫望远镜，其余都是施密特望远镜。

图4-15为六个大型望远镜实物图。(www.xing528.com)

我国自主设计建造的郭守敬望远镜（见图4-16）——大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（LAMOST）是南北向的中星仪式反射施密特望远镜。两个反射镜由1.1 m六角镜并合，第一反射镜MA（24镜并合5.72 m×4.4 m矩形）是主动光学控制施密特校正板，大转道到更大球面反射镜MB（37镜并合6.67 m×6.09 m矩形），聚焦到直径为1.75 m的焦平面，等效口径达4 m，视场达5°。焦面有4000个光纤单元，各自传输光到后面16个250通道的光谱仪之一，各光谱仪有两个CCD相机同时获得它们的（波段为510～540 nm，830～890 nm）光谱，成为光谱获取率最高的望远镜。

图4-15　六个大型望远镜

（a）GTC；（b）Keck；（c）SALT；（d）Subaru；（e）VLT；（f）LBT

图4-16　郭守敬（LAMOST）望远镜

2）主动光学和自适应光学

建造现代大型望远镜的目的是提高聚光能力和分辨本领，以便观测更暗天体和分辨细节。提高聚光能力就要增大物镜的口径。实际分辨本领主要受两方面因素限制：一方面望远镜组件受温度和自重变化影响而使星像畸变；另一方面地球大气湍流的扰动使星像质量变坏。前一因素变化比后一因素慢得多。两因素导致的分辨本领下降可分别用主动光学（active optics）和自适应光学（adaptive optics）校正；后一因素可用斑点成像技术校正。

主动光学是矫正望远镜组件变化所致星像畸变的波面校正技术。它是20世纪80年代以来发展的，用计算机控制智控器主动改正（多镜组合）反射镜面的变化，以较慢频率（1 Hz）消减星像畸变。

自适应光学是实时快速（100～1000 Hz）控制和补偿大气扰动所致星像质量变坏的光学技术。1953年，美国天文学家H.D.巴布科克（H.D.Babcock）首先提出补偿大气折射不均匀所致视宁度变坏的设想，原理是利用一套光学系统，由波前传感器测量星光的瞬时波前畸变，并传输驱动改正器件所需的信号，以达到和保持最佳的视宁度。20世纪70年代人们发展了用于军事目的的自适应光学技术。1989年法国成功地建成第一套自适应天文观测的实验装置，并于1994年安置于欧洲南方天文台（ESO）的3.6 m望远镜上，取得满意的效果。如今大型地基光学望远镜已普遍采用自适应光学技术以提高成像质量和观测效率，使得最小分辨角达0.3″。

斑点成像（speckle imaging）是提高光学成像质量，使之达到或接近望远镜设计和制造所固有的分辨率的天体物理技术和方法。典型的恒星像的直径在最佳条件下取决于衍射斑的大小，但较长时间的照相曝光下，地球大气的湍流扰动使星像在成像点上连续而又无规律地运动，最终形成远比衍射斑大的模糊星像。采用斑点成像技术，在光学波段和红外波段都可取得无畸变星像，分辨率可提高50倍。

此外，几架望远镜同时做光的干涉测量，瞬间观测到的星像实际是很多复杂斑点构成的干涉图像，可通过电脑进行“傅里叶变换”消除畸变，提高分辨，重现良好星像，用这种方法甚至可以观测到恒星视面上的大黑子和恒星周围的“行星凌恒星”现象。