望远镜的光学系统
現在研究型望遠鏡, 大多以反射式為主, 包含電波望遠鏡。
也鹿 是林 反天 射文 式台 的一 !米
望 遠 鏡
圖片來源:.tw/lot/
集光能力:
一般天體每秒輻射出來的光子, 不是全數朝向觀測者飛奔而來,
而是向四面八方飛去。
所以口徑愈 大 的望遠鏡
可以攔截到較多的光子, 也就能更靈敏地偵測到 天空中的暗源,以及更遠的天體。 因此有更大鏡面面積的望遠鏡時, 能探索更遠或更早以前的宇宙
5.1.1 黑暗中尋找光明
天文學是一門觀測的科學, 但與一般的科學實驗有何不同?
天文研究的對象多是 遙不可及的遠方天體, 天文學家只能藉測量、解析 天體發出的電磁波(光子)
了解其性質。
天文學家收集光子的最得力工具? 望遠鏡!
為何需將望遠鏡放到外太空? 電磁波接近地球時, 哪些波段可以穿透大氣層?
課本圖2.4
5.1.3 觀測宇宙的方法與工具
望遠鏡出現前, 天文觀測儀器 主要目的: 測量天體 在天球上的位置。
伽利略將天文學 帶入望遠鏡時代, 天文學家便藉由 增加鏡面大小 提升觀測極限。 並發現過去 看不見的天體 或已知天體 在形態上的細節。
伽利略在400年前觀測 天體所使用的望遠鏡。
英國羅斯勳爵 (19世紀) 用72吋望遠鏡 觀測手繪的M51。
夏威夷毛納基山頂峰的凱克望遠鏡
圖片來源:/emastroianni/image/102721504/original
夏威夷大學的凱克望遠鏡 為直徑10米反射式
圖片來源:/wiki/File:Primary_Mirror_of_Keck_Telescope.jpg
近代的天文觀測科技特色:
二、 太空望遠鏡 為了擺脫地球大氣對影像解析度 或電磁波穿透率所帶來的問題, 最好的解決方案是 把望遠鏡放在大氣層外。
20世紀後半期, 人類陸續地把 微波到伽瑪射線 波段的天文望遠 鏡放在太空中, 最家喻戶曉的是 哈柏太空望遠鏡
圖片來源:/hubble-space-telescope-18-years-and-100k-orbits-later-still-ticking/
正在規劃中的美國30米可見光望遠鏡
正在規劃中的歐洲的100米可見光望遠鏡。
因應大口徑光學望遠鏡的出現, 引發以下兩項技術的發展:
(1)合成面鏡:
(2)自適應光學
(1)合成面鏡
36 1.8
凱
米 的 六 角 形 鏡 片 組
克 望 遠 鏡 主 鏡 片 由
合 而 成
片 口 徑
圖片來源:Mauna Kea Observatories
美國里克天文臺(Lic 91公分搭配傳統底片 於1900年所攝得。
哈柏太空望遠鏡以 不同波段濾鏡觀測, 並以CCD記錄下來。
望遠鏡的光學系統: 望遠鏡如何聚焦成像?
望遠鏡要收集發自天體 向四面八方飛去的光子,
還要將其聚焦到 一固定的位置。
較早的望遠鏡 利用透鏡將 入射的光子 折射到焦點
後發展成以 面鏡取代透鏡, 以反射的方式 來聚焦。
近代的天文觀測科技特色:
一、 大型望遠鏡的設計 二、 太空望遠鏡 三、 陣列望遠鏡 四、 非可見光天文學
近代的天文觀測科技特色:
一、 大型望遠鏡的設計
要偵測遙遠黯淡的天體, 望遠鏡的靈敏度必須愈來愈好。 增進靈敏度的主要關鍵 加強集光的能力, 在可見光的波段, 研究級望遠鏡的口徑不斷增加。 目前最大的口徑的等級為8∼10公尺 ;下兩個世代將達30及100公尺等級Fra bibliotek 記錄天文影像:
透過望遠鏡,能看到過去是 黯淡或空間上不可分辨的物體或結構,
但如果這些聚焦的光沒有記錄起來, 只進入我們視網膜及腦海中, 則天體輻射出來的光子
並不能隨曝光時間增加而累積起來。
如何紀錄呢? 底片與CCD
5.1.4 近代的天文觀測科技
天文望遠鏡的演進在過去 400年間不時有技術上的突破,
大面積光學面鏡 改進集光能力、影像解析能力。 大氣造成的影像模糊變成 亟需解決的問題。
如何解決大氣擾動問題?
威廉赫歇爾望遠鏡
而再自 做反適 即射應 時回光 的來學 修以: 正計利 。算用
大雷 氣射 的光 擾打 動入 程大 度氣 ,
美國的凱克望遠鏡在使用自適應光學系統 前(左圖)後(右圖) 所取得的海王星影像。
臺灣與其他國家合作的大型天文計畫 SMA位於北半球的夏威夷。
臺灣與其他國家合作的 大型天文計畫ALMA 位於南半球的智利。
美國新墨西哥州的極大陣列 (VLA)無線電波望遠鏡
圖片來源:/wiki/Very_Large_Array
但最令人注目的成就 主要發生在20世紀的後半期。
在前200、300年間:
1
望遠鏡 逐漸從 折射式, 轉變為 反射式
2
3
攝影術 傳統底片 光譜儀、 在20世紀 其他波段 末逐漸被 望遠鏡 ─ CCD 興起。 取代。
為了觀測到更暗的天體、 得到更好的影像解析度、 降低地球大氣帶來的影響,
近代的天文觀測科技 有下列幾項特色:
近代的天文觀測科技特色:
三、 陣列望遠鏡:由於口徑愈大的 望遠鏡可獲得愈佳解析度的影像, 所以天文學家便利用干涉原理將數 個望遠鏡組成一個陣列,用它們來 同時觀測同一天體。由此所得的影 像解析度理想上可以達到口徑大小 相當於陣列中相鄰最遠望遠鏡之間 距離的單一望遠鏡所得的結果。
這種技術目前較普遍應用在電波 望遠鏡,但也逐漸擴及於其他的 波段。臺灣與其他國家合作的大 型天文計畫──次毫米波陣列望遠 鏡(SMA)與Atacama大型毫米 及次毫米波陣列(ALMA), 都是利用干涉技術的 電波陣列望遠鏡(下圖)。
影像解析能力:
望遠鏡能偵測到更暗的天體, 提供遠方天體在夜空中的空間性質,
例如辨認出天上的雙星系統; 伽利略用望遠鏡才發現月球表面的坑洞,
以及銀河乃由繁星所組成。
圖 5.12 高靈敏度的觀測數據 (通常可藉由長時間曝光或大口徑望遠鏡達到) 可讓極為黯淡的天體(b) 現身於看似空無一物的漆黑夜空(a)中。