那些美丽的星空是怎样被记录下来的？|聊聊那些厉害的天文望远镜（高清美图）
主讲人｜李青山
笔录整理｜杨萨萨
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大家好，我叫李青山，很高兴为大家做这次有关宇宙观测的分享。
我们本次分享的内容跟天文学有很密切的关系。天文学是与人类生产生活相当密切的一门自然科学。人们通过研究日月星辰的运行规律制定了历法，从而指导古代人类的农业生产。例如我们中国人熟悉的二十四节气，就来源于天文学的研究成果。
到了近代，像我们发射的人造卫星、宇宙飞船，这些也离不开天文学的研究成果。还有近代物理学的发展，更离不开宇宙这个超级大的实验室，很多前沿的物理理论都需要通过天文观测来进行验证。
威廉.赫谢尔早期使用过的一架牛顿式反射望远镜
天文学家研究天文，运用的最主要的研究工具就是天文望远镜。天文望远镜极大的扩展了人类的视野，让我们可以看到更远、更暗的宇宙，和位于宇宙深处那些天体的细节。
这架望远镜是当年伽利略设计制造的，他正是通过这架望远镜发现了木星的四颗卫星，这四颗卫星围绕着木星来运转。这就证明了当初西方世界认为的地心说是错误的，因为木星的四颗卫星并不是围绕着地球来运转，而是围着木星在运转的。
到了近代，天文学家制造了更大、威力更强的天文望远镜，从而做出来更加伟大的天文发现。
例如这张照片，这是天文爱好者通过比较业余的天文望远镜观测到的宇宙一部分。这个星云是非常有名的猎户座大星云，现在我们在天黑以后，在西方能看见猎户星座，在猎户星座腰带的下方，就有这样一个非常有名的猎户座大星云。
这张照片是哈勃太空望远镜，加上先进的成像设备拍摄出来的猎户座大星云的细节，这张照片是通过好几百张照片拼接起来的，如果大家有兴趣的话可以找我给你发这张照片的原图，分辨率非常非常高，可以看到猎户大星云里非常详细的细节。
著名的哈勃太空望远镜
天文爱好者通过业余望远镜拍摄的马头星云和火焰星云
哈勃太空望远镜拍摄的马头星云
现在发的两张照片是猎户座旁边的麒麟星座，当然我们肉眼是看不到的，只能通过照相机长时间曝光才能拍出来。它也叫做玫瑰星云，大家看是不是非常像一朵宇宙中的大玫瑰。
上面红色的玫瑰是通过红、绿、蓝三种颜色通道合成出来的照片，下面这张是通过氢滤镜、氧滤镜和硫滤镜拍摄出来的照片，我们把这个颜色的合成叫做哈勃色。
圣诞树星云
给大家看了很多星空当中美丽的照片，不知道大家有没有一个误解，研究天文是不是就是做天文摄影？其实不是的，天文摄影只是我们把天文上的一些现象用照片展示出来，科学家们利用天文望远镜对宇宙进行研究，摄影是他们研究的一个方法。
科学家通过照片上两个星星间的像素距离可以计算出星星之间的角距离是多少。在定量曝光的条件下，可以通过星星的亮度对这个天体做定性定量的计算。除此之外，科学家还可以通过望远镜加上光谱，对天体的光谱进行分析，从而分析这个天体的主要成分是什么，这个天体距离我们有多远，远离我们或靠近我们的速度是多少。
大家如果还记得化学元素周期表的话，应该知道排在第二的元素是什么？是氦元素，氦元素就是天文学家通过对太阳的光谱分析发现的元素。所以我们经常来把氦元素称为太阳的元素。
望远镜的历史
这张照片是伽利略当年自己制作的天文望远镜，这个望远镜和我们现在的望远镜比起来又小，成像质量也不好，但伽利略仍然使用它做出了很多重大的发现，像刚才说的通过发现木星的四颗卫星从而证明了地心说是错误的。
现在有一个说法，天文望远镜的发明者是荷兰的一个商人，很多人都记错了，把天文望远镜的发明者记成了伽利略。伽利略是第一个使用望远镜进行天文观测的科学家，但是我想这可能也不是很准确，因为第一个把望远镜做出来的人应该也看过星空，只不过他们可能没有伽利略这么有名气，声望这么大，所以我们把第一个用天文望远镜观察星空的荣誉给了伽利略先生。
天文望远镜的分类
天文望远镜主要分成哪些种类呢？从成像的原理上讲，或者是从观测时利用电磁波的种类上讲，它分为光学望远镜和射电望远镜，还有X射线望远镜、紫外望远镜等等。
我们研究光学望远镜，可以把它分为折射望远镜、反射望远镜，以及折射镜和反射镜共同组合成像的折反射望远镜。
折射望远镜
这是一架非常古老的折射式天文望远镜。大家可以看到这架望远镜非常长，又细又长，架在一架仪器上面，这个仪器叫做赤道仪，科学家正在通过这架望远镜进行天文观测。
这张图片里吊起来的仪器也是一架望远镜，以前的折射望远镜往往做的非常非常的长。主要的原因是当时的材料工艺和加工工艺都不太好，对镜片的加工难度很大。如果我们把望远镜做的短一点，就意味着目镜镜片的焦距不能很长，也就意味着镜片要磨的曲率比较大。
在当时的条件下，把一个平面的镜片磨成带一定弧度的曲面镜片，这个过程非常困难，加上以前镜片的材质不太好，容易有杂质，这都加大了镜片制作的难度。所以那时候人们就把望远镜的焦距做得非常长，这样可以把曲率磨得小一点，制作上稍微容易一点。
把折射望远镜的设计加以分类，它可以分为伽利略式望远镜，就是当年伽利略制作的这种结构的望远镜，还有开普勒式望远镜。除此之外，从对色差的消除方面分类，可以分为消色差式望远镜，和复消色差式望远镜。复消色差式望远镜被我们简称为APO，这是一个消色差的标准。
这个图片显示的是伽利略望远镜和开普勒望远镜的原理，大家看电影时经常可以看到伽利略式望远镜，比如说演海盗的电影，古代的时候，船长经常拿一个单筒望远镜，抽出来看远处的船是哪个国家的，判断能不能袭击这条船，他们用的就是伽利略式望远镜。
伽利略式望远镜的特点是物镜是凸透镜，目镜是凹透镜，这种望远镜的成像是正向的。但伽利略望远镜有一个缺点，它的视野比较小。在进行天文学观测时，科学家觉得视野小有点受局限，于是开普勒就把凸透镜引入到望远镜里去，他的成像范围比伽利略望远镜成像要大一些，但是它的特点是成像是倒着的。对于天文学家来讲，观测星空的时候，正向和倒向的影响不是很大，所以开普勒式的结构就在天文望远镜里流行起来了。
色差的影响
如果大家有一些使用望远镜的经验，可能会发现在观测一些比较明亮的，有明暗对比的物体时，在明暗对比的连接处，经常会发现边缘有一些蓝边、紫边的现象，这个就是由于折射望远镜的色差来起的。
我们知道有些光线是由几种颜色的光复合而成的，比如说日光，看上去是白色光，但其实是由赤橙黄绿青蓝紫几个有色光合成起来的。其实这种有色光的本质是光的波长不同，所以它的颜色也不同，那么这些光线的波长不一样，通过镜片时就会进行折射，它的折射率也不一样。如果我们用一个单一的透镜，实际上它是没有一个统一的光学焦点，比如说红光，它波长会长，它的焦点就会远；而蓝光，波长比较短，所以它比较靠里面。像图上三种颜色的光，它们的焦点不在一起，就会出现带色边的现象。但是科学家发现不同的玻璃，折射率不一样，于是把两片玻璃做成不同形状的透镜，把它们组合在一样，可以把几种不同颜色光的焦点修正在一起，这种设计就叫消色差式设计。
典型的双镜片的结构叫做普通消色差。那我们会想，如果我们使用三种玻璃，是否可以把多种颜色的光都可以修正在一个焦点上呢？答案是肯定的。
这张图就使用了三片玻璃，三片玻璃做了不同曲度的透镜，它们组合在一起的时候，几种颜色的光就可以完美的汇聚在一个焦点上，这种设计就叫做复消色差设计，特别是现在这样对。。。透镜的设计有了很大的帮助，望远镜消色差的能力也越来越好。
望远镜的镀膜
通过这张照片我们可以看到，在光学透镜表面，我们会给它附上增透膜，作用是让光尽量多的透过透镜，而不是反射到镜片前面去。合格的望远镜，它的光学元件表面前面都会镀上增透膜，增透膜的好坏很大程度上影响了望远镜的成像质量。好的增透膜反光特别的少，从前面往镜筒往里看，会发现特别暗，反光很少，而镜片要看上去特别亮，比如图上金黄色、红色这样的镀膜，往往意味着这个望远镜的光学镀膜是属于很劣质的。
我们刚才提到的望远镜都是折射式的望远镜，折射式的望远镜如果把它做得精度很高，色差消除得很完美，往往意味着这个望远镜的成本比较高。因为我们想一下用三个镜片组成的复消色差望远镜，它一共有六个表面需要进行磨制，这样对望远镜的成本是没有好处的，所以APO望远镜价格往往都比较贵。
反射式望远镜
当年著名的科学家牛顿提出来一种设想，用反射镜来制作望远镜。这张照片就是牛顿制作的人类历史上第一架反射式望远镜。我们现在把这种结构的望远镜叫牛顿式反射望远镜，来纪念发明人牛顿先生。
牛顿式反射望远镜与折射望远镜的区别在于，它的主镜片不在望远镜的前面，而是装在望远镜的后面。前边是没有遮挡的，或者说遮挡很小，光线从镜筒前边进去，照到反射镜表面，当时牛顿当初做的时候反射镜表面是一个球面，我们现在比较讲究的是把反射镜表面做成抛物面，然后反射到前面有一块副镜，副镜成45度角，把光线反射到镜筒的侧面，侧面装一个目镜，在那个地方进行观测。
牛顿式反射望远镜的一个重大优点是它的口径可以做得比较大。因为牛顿式反射望远镜的镜片加工成本相对来讲比折射式望远镜的要低，在相同的成本情况下就可以把望远镜的口径做得很大。我就很喜欢牛顿式反射望远镜，因为它口径大，我们就可以通过它看到更暗更远的目标。
到这大家可能会有一个疑问，天文望远镜为什么要做得越来越大呢？这主要是因为我们人眼观察物体的时候是通过瞳孔来收集光线的，瞳孔在晚上的时候，最大的直径只在7毫米左右，大家就可以算一算瞳孔的表面积大概在40平方毫米左右，这样小的一个表面收集到的光线就很少，所以我们在观察星空的时候只有这么一点表面用来接受星光。而我们通过望远镜，如果望远镜的镜片做得很大的话就可以把很大的一个区间的光线都汇集到我们的眼睛里面来，我们就可以通过望远镜对光线收集的功能，让我们看到宇宙深处更暗的目标。
通常情况下，我们计算望远镜有多强的聚光能力，就要把望远镜主镜的表面积除以晚上我们人眼瞳孔的表面积，就可以计算出它到底有相当于人眼多少倍的收集光线的能力。
我们可以看到用牛顿式反射望远镜观测的时候是在镜筒的侧面进行观测的，有另外一种结构的反射望远镜是把45度的副镜朝向主镜方向，然后在主镜上开一个洞，光线可以从这个洞里穿过去，这样就可以在主镜后面进行观测，这种结构的反射望远镜我们就把它叫做卡塞格林式反射望远镜，它的镜筒可以做得比较短，但是它的焦距是比较长的，我们简称它为RC，是现在科学家使用天文望远镜的主流类型。
这张照片就是我们安装的一架60公分直径的卡塞格林望远镜。
折返射式望远镜
还有一种望远镜叫做折返射式望远镜，它分成了：施密特——卡塞格林式望远镜，马克苏托夫——卡塞格林卡塞格林式望远镜，马克苏托夫——牛顿式望远镜，它的特点是会在前面安装一个透镜，这样的话透镜和反射镜组合在一起这种结构的望远镜就叫做折返射式望远镜。
这张照片就是折返射式望远镜的光路成像原理图，光线从镜筒前面进去，通过第一次折射镜片的修正，然后照到主镜上面，主镜再把光线汇聚到副镜上面，副镜最后成像到后面的观测终端上面去。
这就是现在比较常见的一种折返射式望远镜的样子。望远镜前面是一个折射镜片，在这个镜片后面亮亮的，是一块反射镜，不管是卡塞格林式的或者是折返射式的望远镜，它们的一个特点就是镜筒可以做得相对比较短，但是望远镜的焦距还是比较长的。
如果大家了解摄影器材就知道，镜头有一个重要的参数叫光圈，光圈实际上就是把望远镜的焦距除以它的口径，得到一个数值，这就是这个系统的光圈。镜头也是一样，焦距除以镜头的有效口径，就是光圈的值。
我们知道这个光圈越大，代表这个数值要越小。比如说像镜头里面F2.8，这就是大光圈，而F6.3就是小光圈。那光圈大了代表的是如果我们用照相法进行这个观测的话，那它的曝光时间就可以更短。
双筒望眼镜
这张照片是双筒望远镜的照片。右上角的那个望远镜叫屋脊式双筒望远镜，旁边这三个叫保罗式双筒望远镜。屋脊式双筒望远镜的镜头相对来讲是比较直，而保罗望远镜可以看到在这个望远镜上面有一个像小房子一样的地方，那是用来装棱镜的。那么保罗望远镜，它可以让望远镜的口径做得比较大。而屋脊式的相对来讲，它的极限可能也就是在50毫米左右。因为如果按照屋脊望远镜的这个结构特点，口径做大的话，那么镜筒间的距离就超过了我们人眼两个瞳孔之间的最大距离了。
典型的业余望远镜
回归到跟天文有关的主题，这张照片的是一架典型的业余天文望镜。这个望远镜分成了几个部分：上面那个镜筒，我们管它叫主镜筒OTA，下面那个支架叫赤道仪，赤道仪有三角架，有重锤，又有控制器。那么赤道仪的作用是什么呢？因为我们地球是有自转的，那么地球自转有个自转轴，这个自转轴的方向，将指向北天极。北天极在哪？我们在北京在晚上抬头看，可以看到北极星，北天极就是在离北极星非常近的地方。
地球就是沿着一条指向北天极的自转轴在进行自转的，自转方向的是自西向东转。所以天上的星星，包括太阳月亮都是东升西落的。于是这样就带来一个问题，我们用望远镜进行观测的时候，天上的星星在动，我们的望远镜如果不动的话，那么很快被观测的这个天体就要移出视场，于是科学家们设计了一个这样的仪器，叫赤道仪。赤道仪的赤经轴将对准北天极，这样的话当你观测一个天体的时候，只要移动赤经轴，让赤经轴以地球自转的角速度进行运动就可以跟踪目标。
这是一个望远镜主镜筒的一张照片。天文望远镜的主镜筒的可以分成几个部分：一个是遮光罩，它的作用是在观测的时候可以把周围的杂光遮挡住。在后面有抱箍，这抱箍起到把镜头给抓住，起到不让镜筒前后移动的作用。下面有个鸠尾板，鸠尾板用来把望远镜连接在赤道仪上面。在望远镜镜筒的后段还有一个部分，叫做调焦座。当我们把相机或者是目镜接在调焦座上的时候，通过旋转调焦座上的旋钮儿进行调焦，让望远镜处在合焦的状态，我们就可以清楚地看到要观测的目标，也可以拍出来。
其他附件
这个部份就是望远镜调焦座后面要接的一些配件。直角型的那部分，我们把它叫做天顶镜，主要是用来做目视的时候把光线做一个转向，这样更利于我们目视者接上目镜去进行观测。上面那个小配件叫做目镜，观察者是通过目镜来进行观测的。因为它靠近我们的眼睛，所以把这个零件的叫做目镜。而靠近指向天上的星星的这个镜片叫做物镜。
关于望远镜，你应知道的
那么关于望远镜，大家应该了解一些常识。这个常识都包括什么呢？
我在网上见过有的人在推销望远镜的时候说：“我的望远镜是高清微光夜视型的”，这种说法不是那么正确。为什么呢？望远镜目镜的口径本来就比我们人眼要大很多很多倍，所以它自然地就会收集更多的光线进入人的眼睛，所以在晚上的时候使用望远镜来观看远处的物体，一定比用肉眼要清楚的多。
还有这架望远镜能放大一千倍，这种说法也是很不负责任的。望远镜到底能放大多少倍，取决于以下几个因素：一个是这个望远镜的光学精度怎么样，也就说这个镜片加工的精度怎么样。还有一个是望远镜的口径，我们可能很奇怪，为什么口径和倍数有关系？大家只要知道口径越大，它支持的极限放大倍数越高。通常情况下我们来计算极限放大倍数怎么做呢？就是望远镜的口径的毫米数*2，比如说：口径是50mm的，那么它的极限可用放大倍数也就一百倍。而实际上如果口径不够的话，倍数太高，那往往造成一种什么效果呢？一个是成像太暗，就是我们看到的这个影像亮度特别低，看起来就很不舒服。还有一种效果就是，大家比如在电脑上看一张数码照片，当它是100%的时候你感觉到这个图像很清晰锐利的。当你用放大的功能，你把照片放大200%、400%，你会发现照片虽然变大了，但是细节并没有增加，这就是超过了极限放大倍数的效果。
那么这个放大镜的分辨率就和口径有关，口径越大，分辨率越高，那分辨率越高意味着这个望远镜有很大的放大倍数。经常有很多人问我，这个望远镜多少倍的，实际上对天文望远镜来讲，它的倍数，不是固定的，倍数怎么计算呢？物镜的焦距除以目镜的焦距，就是这个望远镜的放大倍数，那么望远镜的放大倍数的含义，不是把这个被观察的物体在视野里放大多少倍，而是它拉近我们观测者和这个被观测物体之间的距离。比如说我距离一个人100米，10倍的放大倍率意味着我相当于从10米的地方观察这个人，这样的话，放大倍数相当于距离除以放大倍数，这样一个观察效果。
对于大的天文望远镜来说，温度的变化会影响观测效果，这是对的。因为这个镜片他是有一个温度的，当温度发生变化的时候，有一个很明显的物理特性，热胀冷缩，热胀冷缩会改变镜片表面的形状，从而改变一些他的光学成像特性，所以越大口径的望远镜，对温度的变化越敏感。
另外一个影响望远镜观测效果的叫大气视宁度，大气宁静度，我们简称叫大气视宁度，视宁度意味着是什么现象呢？我们晚上在看星星的时候，咱们小时候有一个儿歌，一闪一闪亮晶晶，漫天都是小星星，这个星星都是一闪一闪的，其实，星星闪的越厉害，往往意味着这个天气越透亮，但是大气宁静度越差，星星闪的越厉害，我们在望远镜里观测的时候，你能看到星星在剧烈的跳动，当然你看不清楚细节。强烈的空气对流，他的本质是不同密度的空气的对流，光线从一种介质进入的另一种介质发生折射，主要是因为物质的密度不同，所以这个大气扰动越厉害，这个光线会随着剧烈的抖动。那么大气视宁度对天文观测影响是非常非常巨大的。所以现在天文学家建造望远镜，总喜欢往海拔高的地方走，那里空气稀薄，宁静度好。另外呢，最好的观测环境就是在太空里边，所以美国的宇航员发来这个哈博太空望远镜。
说了这么半天，其实我们主要谈论的都是可见光这种望远镜，还有一些其他类型的望远镜，比如说我们有专门看太阳的太阳望远镜，太阳望远镜将主要观测的是Ha波段（氢阿尔法波段）的光线，它可以看到太阳的色球层。就是以前我们常听一个词叫日珥，用太阳望远镜就能看到色球层。
还有天文学家会通过光谱仪对这个天体的光谱进行研究，光谱仪装在望远镜的后边，可以把这个天体的光谱拍出来。
就像刚刚开始给大家看到的，玫瑰星云的两种观测方式，它得到图像的样子就不一样，那么天文学家在进行天文观测时，依赖的是多种途径的观测手段，包括可见光的，包括不可见光，不可见光包括了微波，红外线，紫外线，X 射线，γ射线等，天文学家通过广谱电磁波的观测手段对宇宙有个全面的了解和认识。
刚刚也说过，望远镜的口径决定了望远镜收集光线的能力有多强，跟望远镜的口径有关。那么天文学家越来越丧心病狂的制造更大口径的天文望远镜。
这张图是世界上一些巨型望远镜的口径的比例图。大家都可以看到，他在左下角有个小黑点，哈佛太空望远镜的口径是2.4米，我们可以看到右边这几个大家伙比这个哈博大多少，最大的望远镜已经可以放下一个篮球场。甚至最大的一个望远镜的计划，不过这个计划被否决了，但是我们可以看到这个天文学家对天文望远镜口径这个多么强的渴望。在这个图的中心有这个大大的圆圈，这个大圆圈就是提出来的计划叫做绝大望远镜。在这个图里边，我们可以感受这个按照比例来考虑一下，到底有多大个。
越大口径那个的望远镜我们越可以观测到极远的天体，也就是说极远的一个地方发来的光线。我们的宇宙按照科学家估计已经有138亿年，那么宇宙发出的第一束光，我们人类可能还看不到。这就需要更大的望远镜，捕捉宇宙诞生的时候，它的发出的那些光线，从而帮助科学家更加准确的了解了解宇宙的本质。
因为时间的关系，今天跟大家聊一聊天文望远镜这些事儿。以后有机会希望能够给大家介绍一下，我们如何利用望远镜如何进行观察，如何去拍美丽的照片，以及把这些拍摄的经验也有机会和大家分享一下。
2017年8月21日，李老师将带领小朋友们远渡重洋，在美国伊利诺伊见证一罕见的天文奇观——日全食。欢迎大家加入这次难得的日全食-观星之旅，详情请扫码进行了解。
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分享中收集到的问题解答
Q1：李老师说到了今年的美国的日全食，请推荐一下拍日全食的望远镜设备和方法。
我们用的是tv101is和fli8300 ccd，也就是说4寸的望远镜就行了。
Q2：李老师，国外的天文科普做的比国内好，国内应该如何进行改变，或者说科普人怎样做才能让更多的孩子学到更多的科学知识呢？
我觉得是科普的目的性，科普的重点是启发孩子们对科学的兴趣，而不是为了取得成绩。这个问题有点大，我认为培养兴趣，锻炼科学思维是最重要的。相对来说，目前的一些比赛，偏重中国传统的应试教育模式，这个需要大家的努力去改变。
Q3：李老师，折射式望远镜有色差，要消色差，我们明白了。那反射式望远镜需要调光轴，您能解释一下这个吗？
如果是主镜用抛物面或者双曲面的系统，它们对主镜面型的几何轴线是否和入射光线要求敏感。如果几何轴线不平行入射光线，会极大的影响成像质量，相当于光学系统的边缘像质
Q4：我没有用过反射式的望远镜，是每次用都要调吗？折反的也会有色差是吗？
品质不好的反射镜有这个问题，需要每次调整。折返几乎没有色差，它的物镜不是折射镜那种凸透镜。
Q5：相同大小的口径，质量也是略好的镜子，最便宜的是反射镜吗？
同口径，牛反是最便宜的，其次是市面上比较多的施卡，再次是马卡，最贵的就是APO，但是行星目视爱好者更偏爱APO，因为反射系望远镜副镜遮挡会造成锐度的下降，大牛反是目视深空的利器。
Q6：请问望远镜目镜的出瞳距离是什么概念？为什么有的望远镜要紧贴着目镜才能看到目标，有的则不然。对带眼镜的观测者而言，目镜有什么要求？
出瞳距离和目镜设计有关，在不增加复杂设计的情况下，出瞳距离和焦距倍数有关，越短焦的目镜出瞳距离越短。戴眼镜的话，看个人习惯，如果不摘眼镜，目镜出瞳距离最好在15mm以上。另外，越是广角的目镜，出瞳距离往往不能很长，像一些100度的目镜，眼睛要贴近接目镜片才能获得掉进星空的感觉。
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