Alan W. Hirshfeld，编译自Sky & Telescope, Vol. 109, No. 2 (2005) 照相机和分光仪的出现，让天文学家专注于发展能把更多的星光汇聚到新造仪器上的手段。 19世纪即将结束的时候，邻近宇宙正为人所xx。照相机和分光仪这样的新技术赋予了一门逐渐长成的科学——实测天体物理学最初的立足点。太阳和几颗亮星的化学组成、太空中恒星运动的信息，以及照片上那些自古以来躲避了目光锐利的观测者视线的天体结构，都只不过是天文学家用于展示新仪器分析和发现宇宙潜力的途径之一。
上图：20世纪上半叶，天体物理学的中心是威尔逊天文台。从1917年到1948年，这里拥有全世界{zd0}的望远镜——100英寸胡克（Hooker）反射式望远镜（右，Copyright 1925 Huntington Library）。 但是，在银河系那不完整的边境以外，更深层的宇宙空间中又有什么呢？这里是神秘的旋涡星云的领地，照相机和分光仪的能力因天文学家研究对象的迅速变暗而发生了动摇。为了有效利用这些技术，需要从根本上增大最基本的天文仪器——望远镜。 1800年代，美国与其他国家最主要的望远镜都是折射镜。不过1897年，当40英寸的叶凯士（Yerkes）望远镜在芝加哥郊外落成之后，折射望远镜的技术达到了顶峰。任何比叶凯士折射镜更宽更大（因而更厚）的透镜所能吸收的光线都会远远多于试图穿过它的、已经很微弱的星光。而且这已经作了假设，认为工程师可以避免大质量玻璃因自身重量导致的压陷问题。 另一方面，以镜面为基础的望远镜将光线反射到焦点，光线本身不会进入反射镜内部。因此可以将反射镜的背面牢固地支撑住。如果有合适的制造设备，反射镜尺寸仅有的极限似乎就是制造者的想象力外加钱包。 金属开端 1668年：11/3英寸，牛顿革命性的反射式望远镜镜可以将天体放大约35倍。
图片提供：皇家学会 艾萨克·牛顿（Isaac Newton）被誉为1668年{dy}架实用反射望远镜的制造者。这架小仪器有6英寸长，口径11/3英寸，可以将天体放大35倍。镜子的成分是钟用（或镜用）合金，这是一种铜锡合金，牛顿还向其中添加了砷，以增加其“白度”。它充其量不过是一块粗糙的镜子，表面只能反射16%的入射光线，而且也很容易变暗。尽管如此，用牛顿望远镜所成的月球影象据说与当时典型的小口径望远镜一样清晰。 1672年，法国人卡塞格林（Cassegrain）制造了一架拥有副反射镜的仪器。副镜通过主镜中心的一个洞，把光线反射到主镜后方，而不像牛顿式设计那样将光线反射到镜筒一侧。[英国人詹姆斯·格雷戈里（James Gregory）在牛顿制成其反射望远镜之前几年曾试验过几种卡塞格林式设计的变体，但没有成功。]1700年代，英国望远镜制造者约翰·哈德利（John Hadley）与詹姆斯·肖特（James Short）各自经营了销售金属反射望远镜的新型产业，所售的望远镜口径大至18英寸，声称有着大得夸张的对天王星的发现是追求大口径的开端。虽然当时制造望远镜的专业工匠主要将精力集中在精密的小型折射镜上，赫歇尔却发起了制造大型反射镜的改革运动。他的望远镜将成为科学发现的巨型设备，它们可以窥视深层宇宙，辨认出以前从未见过的行星、恒星和星云。 1789年：48英寸，威廉·赫歇尔40英尺焦距望远镜配备的镜用合金反射镜是他建造过的{zd0}一架。
上图：图中的威廉·赫歇尔（右，图片提供：John G. Wolbach Library）正在他那xx的40英尺望远镜（左，图片提供：John G. Wolbach Library）目镜处工作。这架有着48英寸反射镜的40英尺焦距望远镜是赫歇尔建造的{zd0}一架，但并非他的{sx}设备。赫歇尔在观测时会选择较小的18.7英寸口径、20英尺焦距望远镜。 靠着英王提供的200镑薪水和成功的反射镜制造产业的维持，赫歇尔本人带来了望远镜xxxx发式增长。赫歇尔对制造望远镜的兴趣有着纯粹而持久的热情，并吸引了整个赫歇尔家族。他的妹妹卡罗林（Caroline，她凭借自己的能力成了天文学家）在1773年的一篇日记中抱怨道，住宅的每间屋子都成了车间。在威廉抛光反射镜的时候，她给他读书，并将食物一口口地喂到他嘴中，而他的兄弟亚历山大（Alexander）则去组装各式元件。 反射镜是由熔融的镜用合金铸造的，熔融合金先被倒入由砂和木炭制成的模具中（大型反射镜的模具则是由马粪压制而成的）。铸好后，每块盘片都由手工艰难抛光。为了克服由球面像差引起的变形，赫歇尔仔细地将他的反射镜修成抛物面型（只有抛物面镜才能将入射光线集中到单一的焦点上）。从1773年到1795年，赫歇尔制造了大约430块反射镜。以口径18.7英寸、长20英尺的反射镜为首的望远镜群使赫歇尔处在了一个令人羡慕的位置上，他可以看到世界上其他天文学家看不到的天体。 赫歇尔最为雄心勃勃的计划完成于1789年，这是一架{swql}的望远镜，焦距40英尺，口径48英寸。美国作家奥利弗·温德尔·霍姆斯（Oliver Wendell Holmes）这样回忆他初见这架望远镜时的情形：“它是个庞大而令人迷惑的东西，中央巨大的管子伸出倾斜的杆子、圆柱、梯子、粗绳……抬起的炮口傲慢地指向天空。” 尽管有着巨大的口径，这架40英尺焦距的望远镜却从未发挥出潜力。沉重的金属反射镜在自身重量的作用下发生了弯曲，而为了与夜间的冷空气达到平衡，往往需要花费几个小时的时间。除了少数几次例外，赫歇尔都选择了实用的20英尺焦距望远镜。因而，48英寸望远镜的各种问题也给希望超过它的未来野心家们敲响了警钟：这条道路已经为那些有着专注的热心以及深深的钱袋的人预定了。 越大越好 1842年：72英寸，在半个多世纪的时间里，没有比罗斯（Rosse）伯爵的“帕森斯顿（Parsonstown）的列维坦（Leviathan）”更大的望远镜了。
上图：第三代罗斯伯爵威廉·帕森斯（William Parsons）（右，图片提供：Birr Castle Archives / The Irish Picture Library）是列维坦（左，图片提供：Birr Castle Archives / The Irish Picture Library）背后的策划者。他的望远镜花费了3年时间建成，1842年间他花费了12000英镑。1845年2月开光之后，口径72英寸的“帕森斯顿的列维坦”成了世界上{zd0}的望远镜。罗斯伯爵在他爱尔兰中部的领地上建起了这架庞大的望远镜。望远镜被安置在两面平行的砖石墙中间，这限制了它的视野，也只为每个天体留下了约1小时的观测时间。望远镜面朝南方安置，设计用于捕捉进入视场的“星云”。——引自乔治·钱伯斯（George Chambers）的《天文学叙述》（Descriptive Astronomy）（1867） 1840年代早期，当赫歇尔的48英寸镜筒（其镜片现已无存）被废弃并在地上逐渐腐蚀时，爱尔兰的第三代罗斯伯爵威廉·帕森斯着手建造世界上{zd0}的反射望远镜。罗斯有着进行如此事业的一切先决条件：财富、空闲时间、工程知识，还有充足的劳力。他已花费了十多年的时间去试验镜用合金混合物（这种物质声名狼藉地易变形），并造出了一系列口径从6英寸到36英寸不等的反射镜。现在，他觉得可以开始向72英寸跃进了。 在1842年4月13日晚的星空下，3口大汽锅向一个铁模中倾倒了4吨熔融金属。30个人将红热的金属盘沿轨道拖向退火窑，金属盘在那里冷却了16周。之后，一台蒸汽驱动的机器将金属镜片缓慢磨成最终的抛物面，面型是由监控标度盘的形状决定的。就在安装前夕，反射镜破裂了。罗斯伯爵指挥了第二次铸镜工作，这次他成功了。为制造一面合适的备份镜，还要进行三次浇铸。 罗斯的望远镜被恰当地称作“帕森斯顿的列维坦”，无论是从视觉上还是从科学上来看，它都是可畏的。据观测者说，星象“xx而浑圆，没有什么额外的突出物或是闪烁”，而且距离近至0.5角秒的双星也可以被分辨出来。但这巨镜胜出在星云观测上，它所展现的是前所未有的清晰度。1845年4月，罗斯辨认出了“星云”（按现在的说法是旋涡星系）M51的旋涡结构。在一打以上的其他星云中也有类似的结构发现。 罗斯的望远镜还将很多星云分解成恒星，这使得某些天文学家作出了错误的结论，认为所有的星云本质上都是由恒星组成的。受爱尔兰气候条件的影响，这架巨镜的观测计划实际上在1870年代就停止了。1908年，望远镜被拆除，直到最近才被恢复起来。
上图：罗斯伯爵绘制了这张猎犬座M51（现在叫做旋涡星系）的草图。这张草图是通过巨镜的目镜所绘制的上百张图片之一。由于架台的关系，这架72英寸的望远镜从来没有装备摄影设备。（图片来源：The Scientific Papers of William Parsons, Third Earl of Rosse） 与罗斯同时，英国的长期观测者威廉·拉塞尔（William Lassell）建造了世界上{zd0}的赤道式架台望远镜，它有着24英寸口径的镜用合金反射镜。拉塞尔用这架望远镜发现了海王星{zd0}的卫星海卫一，还有天王星周围的卫星天卫一和天卫二。1851年秋，拉塞尔将这架24英寸望远镜从利物浦郊外的住宅搬到了气候更适合天文观测的地中海岛国马耳他。 1859年，拉塞尔的48英寸望远镜在利物浦开光，它在1861年首度观测了马耳他的天空。这架望远镜也有着叉式赤道架台，极轴用手动曲柄控制。在1865年返回英格兰之前，拉塞尔记录下了600个从未见过的星云，之后他使用更加便于控制的24英寸望远镜继续进行观测。48英寸的那架则一直被保存在库房中，并在1880年拉塞尔死前不久被当作废品卖掉。 银镀层 1870年代，当墨尔本大型望远镜失败后，大型金属反射镜的时代丢人地结束了。然而业余界受到了1850年代的两项技术突破的激励，继续进行着实验创新。 1856年，德国化学家尤斯图斯·冯·李比希（Justus von Liebig）发现了利用硝酸银、氢氧化钾、氨水和糖在玻璃上沉积出一层银反射膜的方法。之后不久，巴黎的物理学家列昂·傅科（Léon Foucault）和慕尼黑的光学设计师卡尔·奥古斯特·冯·斯坦海尔（Carl August von Steinheil）独立地将这一技术应用于制造口径4至13英寸的望远镜反射镜上。1864年，傅科使用他的技术为马赛天文台建造了311/2英寸的镀银玻璃反射式望远镜。 新型反射镜带来了希望。镀银玻璃反射镜比镜用合金反射镜更轻，却没有后者那般易碎，且反射率更高，更易于加工。此外，给玻璃重新镀上反射膜也不象给金属镜重新抛光和重塑外形那样需要那么多的专业技术。还是在1850年代，傅科发展了他那灵敏的刀口检测法，这项技术利用一束照明光来检测反射镜表面，能达到可见光波长几分之一的精度。反射镜{dy}次可以在安装到望远镜上之前，在工厂中将问题xx地诊断出来。 纽约医生亨利·德雷珀（Henry Draper）在1862年采用了{dy}架镀银玻璃反射望远镜，此时距离傅科311/2英寸望远镜的落成还有两年。德雷珀受罗斯在爱尔兰的72英寸巨镜视力所鼓舞，打算建造自己的151/2英寸镜用合金反射望远镜，但他无法将其精密抛光成合适的形状。不过他却完善了一架同样大小的镀银玻璃反射镜，放大倍率超过了1200倍。 德雷珀出版于1864年的《如何建造使用镀银玻璃望远镜》一书成为写给反射望远镜制造者的实用建议（外加诱惑）标准纲要。1872年，他制成了一架28英寸的卡塞格林反射镜，并用它拍摄了{dy}条恒星光谱（织女星）。 1879年，英国业余天文学家安德鲁·安斯利·康芒（Andrew Ainslie Common）从经验丰富的仪器制造者乔治·卡尔弗（George Calver）那里得到了一架36英寸镀银玻璃反射望远镜，并对其进行了改造，以使其能够充分利用新式干板底进行长时间曝光。康芒在1880年代早期拍摄的猎户座大星云底片是类似现代影象的最早照片，而1883年的一次长时间曝光使他获得了皇家天文学会的金质奖章。 为了他那雄心勃勃的60英寸反射望远镜建造计划，康芒于1885年将36英寸镜卖给了英国纺织品制造商爱德华·克罗斯利（Edward Crossley），后者又将其捐给了加州利克天文台。1890年代，天文学家詹姆斯·基勒（James Keeler）在汉密尔顿（Hamilton）山顶使用由利克（Lick）重命名为克罗斯利的望远镜进行了破天荒的地面旋涡星云巡天。基勒的旋涡看起来是仙女座大星云M31的缩小变暗版，这暗示给人们一个充满星云的庞大宇宙。康芒的60英寸反射镜{zh1}被哈佛大学买去，但从来没有获得与它的小兄弟相当的声誉。
上图：安德鲁·安斯利·康芒在1883年2月26日拍摄的猎户座大星云，曝光时间1小时。这张照片是使用他的36英寸反射镜在故乡英格兰拍摄的之后望远镜被搬到了加州的利克天文台，并更名为克罗斯利反射镜。这是接近当代天文学图象的照片中最古老的一张。直到那时，xx星云的细节只在素描簿中有所记录。 康芒反射镜的上述命运预示了大口径望远镜的未来。这些仪器将被安装到山顶上，在这里它们可以最终服务于科学而非为建造者的便利。配备着大型望远镜的天文台将成为拥有全职专业员工的事业机构。原先对天文学没有兴趣的有钱人将被劝说为大型望远镜的建造支付款项；这仅仅是因为罗斯伯爵、拉塞尔和康芒这样对天文学感兴趣的赞助者太少了。 追求{zj0} 1908年：60英寸，乔治·埃勒里·海耳（George Ellery Hale）在威尔逊山建造的两架大型望远镜中较为古老的一架于1908年开光。
美国天文学家乔治·埃勒里·海耳是新兴天体物理学的热心拥护者。从儿时被光谱迷住，到为了拍摄太阳爆发而发明了太阳分色照相仪，再到他参与创办《天体物理学杂志》，海耳取得的科学进步都是这场运动的标志。海耳回忆说：“我天生就是个实验主义者。我必定会寻找物理学和化学与天文学结合的方法。” 1892年，海耳成为了芝加哥大学的教工，并在科学与经济两方面固执地推动着天体物理学的进程。1897年，叶凯士40英寸折射镜的落成是海耳为建造世界上{zd0}的实用望远镜而进行的四次筹款中的{dy}次。但甚至早在为建造新的叶凯士天文台而垒砖砌石的时候，海耳就在制订60英寸反射镜的计划了。这块由海耳的父亲出资购买的反射镜于1896年运抵叶凯士，但在研磨抛光后，正当海耳为了它的安装而寻求资金支持时，它却被人忽略在地下室中。同时，海耳正打算为新的天文台寻找只存在于他的想象中的台址：一群最杰出的天文学家在山巅的研究室中用大型望远镜探索宇宙。 构筑梦想 1917年：100英寸，海耳的100英寸胡克望远镜在30多年间保持着“世界{zd0}”的头衔。
1904年12月20日，华盛顿的卡内基学院同意为在加州帕萨迪那附近一英里高的威尔逊山建立天文台提供支持，海耳梦中的设施变成了现实。1905年夏，一架反射式太阳望远镜已投入使用，在随后的几年中落成了两架垂直的“塔式望远镜”，它们也是用于拍摄太阳的。从叶凯士的地下室中挽救出来的60英寸反射镜由火车运往加州，并于1908年12月首度指向天空。海耳写道：“恒星看上去就是黑天鹅绒上的宝石，天空富饶而黑暗，每颗星都是光辉而鲜活的亮点。” 绝妙的视野只是加强了海耳超越60英寸望远镜的决心，这是在骡队将一吨重的反射镜运往山顶之前即已考虑过的计划。1906年夏，洛杉矶商人约翰·D·胡克（John D Hooker）同意为制造100英寸反射镜付帐。 在安装60英寸反射镜的同{yt}，重5吨、厚13英寸的玻璃盘片运抵帕萨迪那。在随后的5年中进行的是艰难的研磨、抛光、镀银、光学测试工作，还与望远镜的赞助人争吵不休。不过1917年，在海耳接近神经崩溃边缘的时候，100英寸胡克望远镜终于完工了。 它是赫歇尔、罗斯伯爵、拉塞尔的大型望远镜的后继者，但远比前任复杂。装配完毕的庞然大物重达100吨，但只需手推一下就可以让它运动起来。跟踪是由一台重物驱动的转仪钟机构完成的，转仪钟与直径17英尺的驱动轮连接，驱动轮的精度足以进行长达好几个小时的曝光。灵活的光学系统可以采用牛顿式、卡塞格林式和折轴焦点式结构，它可以探测世界上其他设备都探测不到的深层空间。 在海耳设立的舞台上，大步走来了另一位适于作出历史性发现的演员。爱德温·哈勃（Edwin Hubble）是个天赋颇高且不屈不挠的暗淡星云观测者，他的研究计划充分利用了胡克望远镜的能力。哈勃在1923年拍摄的仙女座大星云照片揭示了一颗空前暗淡的造父变星，这暗示仙女座大星云（范围可扩展到所有旋涡星云）必定位于银河系之外很远的地方。在一次观测绝技的展示过程中，哈勃及其同事米尔顿·赫马森（Milton Humason）将威尔逊山庞大的天体物理机器的触及范围拓展到了已知宇宙的边陲。结果是，他们证实了星系的径向速度随着距离的增长而增加——这就是宇宙膨胀的证据。 对于海耳来说，他本能地展望着未来，用“星光降落在地球表面的每一平方英里上，我们当前所做到的{zj0}工作就是收集并汇聚落在直径100英尺区域上的光线”来游说捐资者。这场战役的结果将是如今在帕洛马山之巅以他的名字命名的200英寸反射镜。 1948年：200英寸，帕洛马天文台的200英寸海耳预示着当代巨型反射镜的到来。直到今天它仍旧负担着大量科研工作。 图片提供：Scott Kardel / Palomar Observatory / Caltech 在一个世纪的大半时间里，天体物理学的先驱者们发起的观测方法明显区别于古典同行。他们相信，宇宙不仅仅是对目镜中所见的光点和细束连续的计算，更是广布的天体群，它们的本质也许能够通过它们发射的光线探测出来。为了这个目的，目光长远的观测者推进了新一代设备，以图更有效地收集光线，虽然用于解释它的理论框架尚不存在。装备了照相机和摄谱仪的巨型反射望远镜占据了自艾萨克·牛顿时代以来的技术成就金字塔的顶点。这是一座由创新与实验之石堆砌而成的金字塔，将石块粘合到位的是物理学、化学以及发明家的汗水。在1920年代砌就的{zh1}一块砖石标志着摄影术、光谱学和望远镜创造力的整合。在它的帮助下，羽翼初丰的实测天体物理学转变成了今日发现的引擎。 |
