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20世紀的天文學
央視國際 2004年04月12日 13:54
天文學在二十世紀的發展是空前的。現代物理學和現代技術的發展，使天體物理學成為天文學的主流，經典的天體力學和天體測量學也有新的發展，人們對宇宙的認識達到了空前的深度和廣度。
十九世紀中葉誕生的天體物理學，一躍而成為天文學的主流；二十世紀四十年代後期打開了射電天窗，興起了一門利用波長從毫米到米的電磁輻射研究天體的新學科；六十年代，航天時代的到來，使天文學衝破了地球大氣的禁錮，人類開始到大氣外去探測宇宙；天文學開始成為全波段的宇宙科學，使我們得以考察大到150億光年空間深度的天象，並追溯早于150億年前的宇宙事件。
二十世紀天文學進入了黃金時代，人們可以闡明地球、太陽和太陽系的來龍去脈、星系的起源和星系的演化、宇宙的過去和未來、地外生命和地外文明等重大研究問題。
從二十世紀在天體觀測手段和技術、太陽系、太陽系以外天體研究等方面的成果，即可顯現天文學研究的發展。
觀測手段和技術
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伽利略 |
起初5-6個世紀的觀測全憑肉眼，古代儀器充其量只能比較準確地測定肉眼所及的天體位置，卻不能發現更多的星象。1609年伽利略發明了第一架天文望遠鏡，由凸透鏡的物鏡和凹透鏡的目鏡組成，發現了月亮的環形山、木星的四顆衛星……，看到了一個全新的世界。不久開普勒將這種望遠鏡的凹透目鏡改造為小凸透目鏡，儘管成相是倒立的，但視野和放大率都擴大了。這種望遠鏡是折射望遠鏡，玻璃會産生色差，色差會嚴重影響星象的清晰度。於是當時人們就不斷製造出焦距越來越長的望遠鏡，在牛頓以前，這是儀器的主攻方向。1668年牛頓首先製成反射望遠鏡，他用的目鏡是錫和銅的合金，全長不過15厘米，然而它卻可以放大40倍。威廉.赫歇爾是製造反射望遠鏡的一代宗師，他一生磨成了四百多塊反射鏡，最大的口徑達122厘米。19世紀最大的反射望遠鏡是美國人羅斯伯爵于1845年建造的，口徑達184厘米鏡身長17米。當時的反射鏡全都是金屬制的，大塊金屬既笨重又難以鑄造和加工，且容易失去光澤，影響反射效果。1846年玻璃工業達到發展，到19世紀中葉以後，大型折射望遠鏡在世界各地紛紛建造起來。1824年德國光學家夫瑯和費造了一架口徑24厘米、長4.3米的消色差折射望遠鏡，安裝在俄國天文臺，這架望遠鏡上的機械部分極為靈巧。
19世紀40年代一架38厘米的折射望遠鏡在美國哈佛大學天文臺建成。這時磨制折射望遠鏡的技術在美國發展到了盡善盡美的程度。1870年美國人克拉克為美國海軍天文臺建造了一架當時世界最大最好的折射望遠鏡，它長13米，口徑66厘米，透鏡重45千克，1877年美國天文學家霍爾用它發現了火星的衛星。1892年小克拉克為美“葉凱士”天文臺磨制了 一塊重230千克、口徑102厘米的巨大透鏡，製成的巨型折射望遠鏡于1897年啟用。直到今天，這架儀器仍然保持著折射望遠鏡冠軍的稱號。克拉克建造了大型折射望遠鏡的成就，刺激了歐洲的競爭，1885年俄國普爾科沃在天文臺安裝了口徑76厘米的折射望遠鏡，透鏡也是克拉克磨制的，1886年77厘米的望遠鏡安裝在法國尼斯天文臺，1889年83厘米的望遠鏡在法國默冬天文台啟用，1893年71厘米望遠鏡出現在英國格林威治天文臺。總之，19世紀末大型折射望遠鏡相繼問世，為探索宇宙發揮著應有的作用。
現代反射望遠鏡
如果説19世紀下半葉是折射望遠鏡的時代，20世紀上半葉巨型反射望遠鏡則佔了上風。反射望遠鏡的東山再起是因為磨制材料的改進，用玻璃代替金屬，德國和法國率先獨立地製成了玻璃鍍銀的反射鏡。1897年一架91厘米的反射鏡在英國誕生了。
20世紀天文史的發展，大型反射望遠鏡功不可沒。1917年11月“胡克望遠鏡”正式啟用了，整個望遠鏡重90噸，可以很方便地操作，並以很高的精度跟蹤恒星，它在以後的30年內一直是望遠鏡之王，它是第一架、也是30年內惟一能夠提供銀河系實際大小和太陽系所處位置信息的儀器。1948年當時世界上最為完善的“海爾反射望遠鏡”在美國交付使用，它的成型鏡面凈重14.5噸，鏡筒重140噸，整個望遠鏡的可動部分重達530噸！它拍攝和分辨遙遠天體的能力比“胡克望遠鏡”要優越得多，它能拍攝23等的暗星，能探測距離我們遠達幾億光年的暗弱星系。“胡克望遠鏡”曾使人類了解自己所在星系的大小和性質，估量河外星系的本質和運動並提出由於遙遠的過去發生的一次宇宙爆炸而發生了宇宙膨脹。“海爾望遠鏡”對這一切做出了確鑿證明。而且在以後許多年後，儘管許多國家造出了規格更高的望遠鏡，但都沒能超過“海爾望遠鏡”，超過它的只有前蘇聯專門天體物理臺的6米反射鏡。這架6米反射鏡是目前口徑最大的一架望遠鏡，安裝在高加索山脈，1976年正式投入觀測。鏡體本身長25米重77噸，其大小堪稱第一，但就其性能而言，它仍然沒能超過口徑5米的海爾望遠鏡。
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美國夏威夷的8米光學望遠鏡 |
太陽望遠鏡
日冕是太陽周圍一圈薄薄的、暗弱的外層大氣，它的結構複雜，只有在日全食發生的短暫時間內，才能欣賞到，因為天空的光總是從四面八方散射或漫射到望遠鏡內。
1930年第一架法國天文學家李奧研製的日冕儀誕生了，這種儀器能夠有效地遮掉太陽，散射光極小，因此可以在太陽光普照的任何日子裏，成功地拍攝日冕照片。從此以後，世界觀測日冕逐漸興起。
日冕儀只是太陽望遠鏡的一種，20世紀以來，由於實際觀測的需要，出現了各种太陽望遠鏡，如色球望遠鏡、太陽塔、組合太陽望遠鏡和真空太陽望遠鏡等。
太陽塔又名塔式望遠鏡，是太陽物理觀測的基本工具。外形是塔式建築，通常高20米以上，塔的頂部安裝定天鏡，它將入射的太陽光線垂直向下反射，進入成像光學系統和附屬儀器。太陽塔通常建為雙層結構，除頂部有定天鏡外，中間安置太陽望遠鏡成像光學元件，在塔底或地下豎井內設置大型太陽攝譜儀和其他附屬儀器。
真空太陽望遠鏡是將全部成像光學元件都放在真空筒中，這種望遠鏡可以消除儀器內部氣流對成像的有害影響。最著名的真空太陽望遠鏡在美國薩克拉門托峰天文臺。它的外形是41米高的露天錐塔，頂部是真空密封轉臺。太陽光射入直徑75厘米的玻璃密封窗後，被構成地平系統的兩塊直徑110厘米的平面鏡反射到直徑0.6米、焦距46米成像鏡上，返回的光線經斜平面鏡，穿過密封的出射窗進入附屬儀器。真空筒重250噸，可以轉動。這台儀器安裝在寧靜度很高的高山上的，能夠觀測非常小的太陽表面和低層大氣的組織結構，分辨率相當於辨認出距離96千米處一塊汽車牌照的能力，它代表了目前地面太陽儀器的最高水平。
射電天文學的研究
20世紀初期人類還不能完全捕捉到天體釋放出輻射的電磁波譜，這是當時天文學家的遺憾。第一個發現來自宇宙無線電波的是美國電信工程師央斯基（1905~1950）。他在研究短波通信中各項干擾因素時，發現了一種來源不明的電波，併發現它的方向似乎和太陽相關，但不完全與太陽運動一致，可能是雖恒星變化而變化的，而且來自於太陽系以外的固定點，經過觀測得出這個固定源在天空的坐標，指出了它的方向與銀河系中心接近。人類捕捉到了來自太空的無線電波，射電天文學從此誕生了。這是天文學發展史上的又一次飛躍，從此人類認識宇宙的窗口從可見光波段轉到射電。第二次世界大戰結束後，一大批研究雷達的科技人員把雷達技術應用到宇宙射電的研究中，射電天文學進入了蓬勃發展的時代。目前世界上口徑最大的射電望遠鏡固定在地球上，利用地球的轉動來改變指向，這就是1963年安裝在波多黎各的阿雷西博射電天文臺的著名拋物面射電望遠鏡，是美國國立天文臺和電離層研究中心的主要設施。它可作雷達使用，還可以用來繪製金星、水星、火星和木星、土星的衛星雷達圖。
射電天文學給人類帶來的宇宙信息是無比豐富的，早在50年代，射電天文學家們就已經對太陽射電進行了卓有成效的研究，描繪了銀河系旋臂結構的全景；60年代更有類星體、脈衝星、星際分子和宇宙微波背景輻射四大發現；70年代詳細研究了一批射電星系核和類星體，發現了令人難以置信的超光速運動。
空間天文學
我們的地球被一層厚厚的藍色“面紗”——大氣層包圍著。這個大氣層給我們提供了充足的氧氣、適宜的溫度，它保護人類免遭來自於太空的不速之客，如流星、粒子輻射等等的襲擊。40年代的探空火箭技術和氣球技術，50年代末人造衛星的上天，使天文學家宿願終於實現。從此天文學從地面觀測躍進到空間觀測，從狹窄的光學波段、射電波段擴展到整個電磁波段，於是天文學便進入了全波天文學，即天文學的嶄新時期，這是天文學發展史上的又一次飛躍，從此紅外天文學、紫外天文學、X射線天文學和γ射線天文學相繼應運而生，在人類面前展示了一幅更加絢麗多彩的大宇宙圖像。
紅外輻射是60年代被發現的，紅外天文學的研究在地面和高空以及外層空間全面展開。紅外波觀察絕對溫度四千度以下的天體，包括太陽系中的行星、衛星和彗星，紅外輻射可以提供關於恒星的出生和死亡的寶貴知識。第一顆紅外天文衛星于1983年升空，它是美國、英國、荷蘭共同研製的，上面裝有一架60厘米的紅外望遠鏡，它發現了三十多萬個新天體。
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哈勃空間望遠鏡 |
為了觀察極為明亮的年輕恒星，必須借助探空火箭和人造衛星觀測。進入70年代有4顆紫外天文衛星進入太空。20世紀60年代最激動人心的發現還是X射線天文學領域的研究，被認為是六十年代X射線天文學的重大成就之一。
1962年,第一次發現天蝎座方向的一個強大的X射線源；1969年發現蟹狀星雲脈衝星NP0532的X脈衝輻射；1970年第一個觀測X射線的小型天文衛星──美國的“自由號”進入巡天軌道；隨後,荷蘭、英國、印度、美國等國家的X射線衛星和高能天文臺相繼探空；“自由號”的資料到1977年已編出四個X射線源表。1975年發現的宇宙X射線爆發，是七十年代天體物理學的重大發現之一。X射線天文學誕生已為我們展示了一幅與光學天空完全不同的宇宙面貌。X射線天文、光學天文和射電天文已構成二十世紀天文學的三個鼎足而立的強大支柱。
γ射線是波長比X射線還要短的電磁輻射，宇宙中許多過程都能産生γ射線。1962年兩個月球軌道上的衛星“徘徊者”3號和5號發現了瀰漫宇宙γ 射線輻射。1972年兩次太陽耀斑事件中探測到γ射線爆發。1973年證實宇宙γ射線爆發。到1978年底，探測到的銀河系γ射線源一共只有13個,其中8個已證認為超新星遺跡。
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