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從一副望遠鏡開始 觀測天文 大有學問

2021.12.01
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今期熱話

羅貫中的《三國演義》中,把每個文人武將都刻畫成栩栩如生的風雲人物,例如描繪諸葛亮的聰明才智,前無古人,後無來者;其中一回,諸葛亮「在荊州,夜觀天文,見將星墜地」,便算到周瑜將死。從現今科學角度來說,觀星占卜沒有太多科學根據,然而人們在數百年來確實發掘了不少天文觀測的知識,尤其是17世紀望遠鏡的發明,讓觀測天文學得到突破性的進展。

現在,就讓我們了解一下天文觀測,並且欣賞宇宙的穹蒼吧!



早期望遠鏡——打開全新星空探索領域

我們並不確切知道望遠鏡的發明者是誰,但根據歷史記載,荷蘭眼鏡製造商漢斯.利普西於1608年曾向荷蘭政府申請折射望遠鏡的專利,但不成功;翌年,伽利略將之改良並用作天文觀測用途(見圖一),頓時看到不一樣的天空。從圖二,我們見到望遠鏡的設計是由兩塊透鏡而成,當遠方的星光以平行綫的光束走到望遠鏡時,先因凸面的物鏡而聚焦,並在焦點之前經由凹面的目鏡折射回平行光綫,繼而到達觀察者的眼中。

收集光綫 看清星體

對比雙眼,天文望遠鏡因有較大收集光綫的能力而令遠方星體看起來更光亮;兩塊透鏡的設計亦令望遠鏡有一定放大率,把細小的物件放大。另外,角分辨度的提升亦能提高解像能力,亦即星體上的特徵也能仔細看清。伽利略利用此望遠鏡,成功觀察到木星的四顆衞星,以及金星的相位(類此月相),憑着不同證據,直接或間接支持哥白尼的日心說,打破教廷一直提倡的地心說。

可見,隨着我們利用工具看到更清楚的星空,我們對地球以及宇宙的認識亦因而增加。

圖一


圖二



深入望遠鏡——認識艾里斑與瑞立判據

自從我們能夠利用望遠鏡看到更多星體後,對宇宙的求知欲令我們對望遠鏡的要求更高。首先,我們想看到更細小或是更遠的深空天體,這需要有更高放大率的望遠鏡。根據上期提到關於相機的原理,我們知道把焦距調高有助看到更遠的東西,但同時需要增加曝光時間來解決高焦距令影像變暗的問題。

此外,假如有兩顆星星出現的位置相若,要分辨並不容易。學過光的繞射,我們知道光波遇到障礙物時會改變其直綫的軌迹;當星光射進望遠鏡,穿過圓形的透鏡時,小光點就會變成一種名為艾里斑的圖案。數學上,我們會以瑞立判據來定義兩顆星體能否被分辨出來:



λ為波長,取決於星光的顏色,不能改變;a為望遠鏡的闊度,這是我們能夠變更的,當a變大,θmin(可分辨的最小角距離)就會降低。換句話說,大口徑的望遠鏡能讓我們分辨到相互距離更近的星體。

圖三


圖四



改良望遠鏡——提升星體影像質素

上述提到的艾里斑是由於不能改變的光繞射現象而成,因此這亦是影像畫質的上限,亦稱為繞射極限。可是現實上,望遠鏡的設計卻不能到達此極限,尤其是透鏡的形狀會造成不同類型的像差。以下讓我們看看其中一些例子:

1.球面像差

在電腦控制機械出現之前,最容易製作的透鏡表面是平面或球面。然而,當光綫打在球面透鏡的邊界時,其所受到的折射比光穿過中間時為多,因此聚焦點亦會較前。當同一道光的焦點並不在同一位置上,影像就會顯得模糊。要解決此問題,透鏡表面可改為拋物面,就能有效把焦點移回同一點上。

圖五


2.彗形像差

觀測天象時,星光會從四方八面而來,而當平行光綫以一定角度進入望遠鏡時,距離中軸較遠的光綫所受的折射會較弱,因此焦點會較後,而一顆原本呈圓點的星星就會變成如彗星般的形狀。入射角愈高,此現象會更明顯,因此一張星空相片裏,四側部分會容易看到彗形星體。由於這形狀並非對稱,因此若想得知某星於天空上的位置,就有需要解決這問題。然而,拋物面鏡面也不能修復此像差,人們後來發現要製作一些複雜的非球面鏡才能改善此問題。現時不少望遠鏡設計都有一形狀複雜的修正透鏡來降低彗形像差。

圖六


3.場曲

上述兩種像差都是由於光射到透鏡的不同位置所產生的聚焦問題,然而即使是同一位置,不同入射角的平行光綫都會聚焦在不同位置。簡單來說,當入射角變大,焦點就不會落在同一平面,而是落在一曲面上。要解決此問題,我們可以利用多個透鏡組,令焦距會隨着入射角提升而增加,從而令焦點落回同一平面上。這亦是相機鏡頭慣常的做法。然而,多塊透鏡會增加望遠鏡的重量和負擔,因此在一些大型望遠鏡上,我們會看到與其改變焦點位置,不如直接把收集光綫的感光元件放在這曲面上。

圖七


最強望遠鏡——須配合天時地利

以上解說都是通過改善望遠鏡來提升影像質素,然而要拍攝最佳星空照片,周邊環境亦十分重要。例如空氣的湍流(亦稱視寧度)、大氣層的散射等,都會影響觀星質素。在香港,我們常說空氣污染及光污染嚴重,因此要到大坳門、西貢等遠離繁囂的郊區才能有最好體驗。拍攝天文相片外,若要進行準確記錄的話,那麼選址上就會有更多考慮。

最佳天文台 夏威夷毛納基山

夏威夷的毛納基山是世界上其中一個最佳的天文台台址,其山頂全是一個個的圓頂,包括加法夏望遠鏡、雙子北望遠鏡、凱克天文台、「昴」望遠鏡等。為甚麼如此偏僻的地方能吸引全球各地爭相在此建立天文台呢?避免光污染固然是其中一個原因。其次,毛納基山山頂高達海拔4,200米,比雲層還高,在這裏的天文台能避開雲朵,直接觀測星空。

再者,高海拔的地方空氣較稀薄,而且溫度很低,減少擾流之外,空氣粒子少亦令星光較難遭散射。最重要的是,空氣在平直的表面流動就能大幅減少擾流,由於夏威夷四周都是海,而水面正正是平滑表面,這亦令夏威夷成為絕佳天文觀測地點。除毛納基山外,智利的安地斯山脈亦是熱門觀測地點。

圖八


補充資料

太空望遠鏡 太空觀星

我們發現,即使在「最佳天文台」進行觀測,因視寧度導致的最小角分辨度仍然達0.6角秒(一度有60角分,一角分有60角秒),比繞射極限的為高(以「昴」望遠鏡為例,其繞射極限的角分辨度為0.015角秒)。這證明在地球進行觀測的話,受大氣層影響,我們難以極限解像度拍攝星空,因此人們積極製造太空望遠鏡,就是直接把望遠鏡推出太空。

除了上文提及的開普勒望遠鏡外,專門尋找深空天體的哈勃太空望遠鏡,以及將於今年12月18日發射升空的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡等,都將會繼續開拓我們對宇宙的認知,為各個謎團尋找答案。

載自2021年12月1日《S-file STEM/理科》

文:劉心
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