20多年前发射的哈勃望远镜现在仍然算是最好的望远镜吗?

这几十年来望远镜技术有哪些进展?

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2个答案
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Topp天文研究生,摄影爱好者

2014-02-21 09:59

本来打算加个关注邀请别人回答的,结果还是被邀请回来了……

这个问题有几个不太好回答的地方:
1.啥叫“最好”的望远镜呢?
大家一般认为的望远镜是这样:

或者这样:

不过,其实望远镜还有这样的:

这样的:

这样的:

这样的:

甚至这样的:

↑不要以为这是晾衣架,这个望远镜还拿过诺贝尔奖呢!

以及这样的:

这些形态各异的望远镜各司其职,相互之间不可取代,所以也没有好不好的比较了……

2.要是在可见光波段比呢?

就算局限在可见光波段,也很麻烦,比如开普勒望远镜的测光精度和视场远远高于哈勃,不过分辨率就不如哈勃了,而且,也没有光谱观测。而哈勃是空间望远镜,一些体积较大的仪器设备就没办法装上去了,所以,很多观测哈勃也无能为力,只能由地面的望远镜完成。

现在自适应光学可以使地面望远镜的分辨率逼近哈勃的水平,但是对大气消光还是没办法,而且地面望远镜也没法连续观测。

所以,很难说哈勃是好还是不好。

3.现在的哈勃已经不是20年前的哈勃了

哈勃的一个特点就是发射在近地轨道上,这样的一个好处就是可以“很方便”的上去维修和更换设备。哈勃经过了多次维护和升级,其内部仪器一直保持在比较先进的水平上,可不是20年前的“老古董”哦。

4.很多技术其实是量变的过程,比如,从6米镜到8米镜再到10米镜,这种进展一直在进行着,小到一颗螺丝钉,大到一个火箭,望远镜系统是个整体,说都说不完。

5.最后一点……我不是搞技术的……很多技术细节我也不清楚……谁吃肉的时候还管牛是怎么宰的啊……

说一些我知道的关键进展吧:

CCD的进步和普遍应用:CCD对天文观测来讲是革命性的,一下子就把天文观测带到了信息时代。哈勃刚发射的时候CCD还不是一个很靠得住的感光元件呢,而现在已经成了几乎所有光学望远镜的标配了。

光纤的应用:如果说CCD是找到一种方便的方法把光记录下来,光纤就是找到一种方便的方法搬运光。通过光纤可以把光像电一样搬运,这样就可以把以前很多很麻烦的光路设计简化下来,也可以为望远镜安装多台大型仪器提供方便。

自动化控制的进步:80年代末90年代初望远镜的支撑结构还是以赤道式为主,比如我们的2米16:

这种结构的优点是跟踪控制简单,一个电机以一定速度转就可以了。但是需要的空间庞大,重量惊人,还有各种各样的盲区。

而现在的望远镜则都采用了地平式结构,比如我们的2米4:

这种结构紧凑,轻便,盲区很小,对大望远镜来说绝对是完美的结构,但是导星跟踪控制复杂,必须依赖高精度的计算机自动控制才能完成。这在20年前是无法想象的。

而且,后面的主动光学、自适应光学等一系列技术都要依赖于自动化控制。

薄镜片技术、主动光学和拼接镜技术:1949年建成的5米海尔望远镜主镜厚度1米,质量达到了14.5吨,之后的几十年里,望远镜口径都在5-6米上徘徊,因为要造更大的镜片则需要增加镜片厚度来抵抗镜片因为重力、风力等造成的形变,所以望远镜镜片的重量会飞速增长。而1989年开光的3.6米新技术望远镜,使用了薄镜片+主动光学技术,镜片厚度仅有24cm,通过在镜片后部加装促动器,通过促动器改变镜片形状以改正镜片形变,这样,望远镜单片镜的口径一下从6米提升到了8米。同时拼接镜片技术(这个没查到从哪个望远镜开始的)让镜片制造不再是望远镜口径的瓶颈了。从此十米口径的一堆的造出来了、三十米的一堆提上日程了。

自适应光学技术:自适应光学技术就是一种消除大气对星象畸变的方法,可以参考这里。这个技术可以说直接将好几个空间光学望远镜计划送进火葬场。因为该技术突破了大气对观测的影响,使我们在地面上就可以得到原来在空间才能得到的高分辨率图像。

其他的进展应该还有很多,不过一下想不起来了。等大家补充吧。

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老猫分子生物学准博士,天文爱好者

2014-02-20 18:09

可以很肯定的说,不是。

在发射哈勃太空望远镜的时候,因为空气扰动等问题,当时地面2.5米口径的望远镜的角分辨率被限制在0.5–1.0角秒间,虽然理论分辨率是0.05角秒。而口径2.4米的哈勃空间望远镜的角分辨率可以达到0.1角秒。因此哈勃的发射的确将当时的天文望远镜的分辨率提升了一个等级。

不过如果和现在的那些陆基望远镜比起来,因为口径所限哈勃在可见光波长的能力简直弱爆了。

1993年建成的凯克1号天文望远镜(Keck 1 telescope)的口径10米,它单独工作的时候分辨率最高可达0.4~0.04角秒,1996年建好的凯克2号配合凯克1号共同工作的时候,分辨率甚至与口径85米的望远镜一致;而1998年建造的甚大天文望远镜(Very Large Telescope,VLT)四台直径8.4米的望远镜单元共同工作的时候,甚至可以得到0.001角秒的分辨率。预计2022年建成的欧洲极大天文望远镜(European Extremely Large Telescope, E-ELT)口径39.3米,甚至单镜就可以达到最佳0.001角秒的分辨率。

分辨率尚且不行,和这些地面巨无霸比起来,哈勃的集光能力,就更差得远了。

让望远镜分辨率和口径突飞猛进的技术,在软、硬件上都有。硬件条件上来说,新的镜片拼接技术让我们可以用相对更低的成本得到更大的主镜;而软件上来说,主动光学系统使得地基光学望远镜的镜片可以轻型化,而自适应光学系统则使得望远镜可以免除大气扰动的影响。

主动光学是一种应用于地面大型光学望远镜上的技术,通过促动器时时改变主镜镜面的形状,以修正由于重力、温度和风力造成的镜面本身的形变对成像带来的影响。传统的地面大型望远镜为了减少因主镜自身重量造成的镜面弯曲,必须依靠增加镜片的厚度来保持足够的强度——1949年落成的5米口径的海尔望远镜,厚度为1米,重约14.5吨,如此巨大的重量给建造带来了巨大的困难,但是1998年落成的口径8.4米的卯星团望远镜因为采取主动光学技术,镜片厚度仅为20cm,凯克虽然建在卯星团之前,但是他们的镜片轻薄化明显做得更进一步,因为他们的镜片只有10cm。

自适应光学则是一项使用可变形镜面矫正因大气抖动造成光波波前发生畸变,从而改进光学系统性能的技术。自适应光学首先要检测波前扭曲情况,然后通过安装在望远镜焦面后方的一块小型的可变形镜面对波前实时进行矫正。目前安装在口径8米左右的地面大型光学天文望远镜上的可变形镜面尺寸为8到20厘米,促动器数量为数百个到数千个不等,每次调整要在0.5到1毫秒的时间内完成。加装自适应光学机构的望远镜几乎都可以达到衍射极限,这使得再建设轨道可见光望远镜不再必要。

当然,轨道望远镜并不会遭到淘汰,因为在太空中紫外线、红外线等并不会被大气吸收,因此在这些波段的观测,轨道望远镜有着不可替代的作用。2018年将要发射的下一代空间望远镜詹姆斯·韦伯空间望远镜(James Webb Space Telescope, JWST)将会是哈勃的后续机,其上也采取了拼接镜片等新技术,这使得它的口径可以达到6.5米。不过詹姆斯·韦伯空间望远镜的观测波段是红外,已经不再是传统的可见光望远镜了。

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