望远镜怎么观测星体？

望远镜是人类最具突破性的发明之一。起初，仅是由凸透镜（物镜）和凹透镜（目镜）粗略组成的简易手持仪器，可用来观察远处物体。后来，则发展到收集和监测远方天文现象所发出的电磁辐射，透过收集电磁辐射，科学家、天文学家和一般人所用的各式望远镜得以观察遥远天体。

史匹哲太空望远镜以红外线观测到的冠冕星团（Coronet Cluster）

的确，现代望远镜几乎得以监测、记录和成像电磁波谱的所有波长──包括不可见光的部分──让我们进一步了解周遭世界和遥远的太空。现在就一同来认识现今所用的望远镜类型，探索其运作机制和发现的奥秘。

光学望远镜

自1608年发明以来，想仔细观察远方天体变得更容易了，一般光学望远镜的运作原理如下：将电磁波谱中的大量可见光反射或折射至焦点上，再以目镜观察。基本上，望远镜的大型物镜或主镜会从目标天体收集大量光线，将之聚焦在小型目镜上，观者便可看见放大的成像，因此目标天体看起来比实际要近且大。望远镜的能力与物镜或主镜的口径有直接关系，透镜或面镜越大，成像也越清晰。

让我们一起来认识下业余和专业天文学家所用的各种光学望远镜

反射式望远镜

为最常见的光学望远镜类型之一，透过一个曲面镜和一个平面镜直接将光线反射至望远镜主体，进而成像。 17世纪时，折射式望远镜色差严重，无法将所有色光聚焦在同一点上，反射式望远镜才应运而生。

折射式望远镜

为最先被发明的望远镜，透过凸透镜（物镜）和凹透镜（目镜）的组合来成像。目前，这类望远镜仍在使用。但近年来，因透镜下陷、色差和球面像差等诸多技术层面的问题，折射式望远镜因此效益降低。

折反射式望远镜

为最先进且稳定的类型，以面镜和透镜来成像，透过修正镜来保持精确度。首台折反射式望远镜由光学仪器商伯恩哈德．施密特所打造，透过专利的施密特望远镜校正了球面像差、彗星像差和散光。

无线电望远镜

无线电望远镜通常有巨大的碟型天线，让我们得以接收来自太空深处的讯号，透过接收和放大遥远恒星、星系和类星体（quasar）发出的无线电讯号，无线电望远镜便得以运作。这种望远镜的两项基本元件为大型无线电天线和灵敏的辐射计；波长介于10米和1毫米的外来无线电讯号会在两者间反射、转向并放大，进而产生可解读的光学波段资讯。这些无线电讯号功率微弱且波长颇长，加上无线电天线至关重要的效能易因地面的无线电干扰而失常，无线电望远镜因此要建得极大。

反射式无线电望远镜最为常见，由一个抛物面（碟形）天线组成，运作方式与电视的卫星天线类似，会将外来辐射聚焦至接收器上进行解码。这类无线电望远镜常会将无线电接收器和固态放大器进行低温冷却，以降低杂讯和干扰。此外，还会将望远镜的碟型天线安装在与地球自转轴平行的一根轴（即赤道仪）上。如此一来，当地球自转时，无线电望远镜就能追踪天空中的固定位置，进行更长时间的的固定精确观察。目前，全球最大的连续孔径无线电望远镜是位于贵州（中国西南部省分）的「500米口径球面无线电望远镜」（简称FAST）

以无线电望远镜观察到的木星影像

高能粒子望远镜

尖端科技正在拓展「高能天文学」的疆界，为了捕捉来自遥远星系的自然讯号并进行解译，无线电和光学望远镜的局限性反倒令科学家朝着新方向迈进。 X射线望远镜便是最引人注目的装置之一。拜反射镜（反射式望远镜的必要部件）无法反射X射线辐射所赐，X射线望远镜的结构因此有所不同。为了捕捉X射线辐射，得将X射线进行多次反射，逐次改变射线的方向，而非直接将之反射至负责放大和解译的超灵敏接收器。因此，望远镜得由数个呈抛物线或双曲线的套叠圆柱组成，好将X射线导引至接收器。

重要的是，X射线无法穿透地球大气。因此，X射线望远镜得装在高空火箭或人造卫星上，于地球大气外运作。地球轨道上的X射线望远镜包括美国国家航空航天局（简称NASA）的钱德拉Ⅹ射线天文台（Chandra X-ray Observatory），以及小型探测器（Small Explorer）任务中的核光谱望远镜阵列（简称NuSTAR）。

NASA 的钱德拉X 射线望远镜已观察宇宙约20 年之久

其他高能粒子望远镜则有伽玛射线望远镜和微中子望远镜。第一种望远镜会透过恒星发出的伽玛射线来研究宇宙。第二种望远镜则会侦测微中子触及水、生成电子或缈子（muon，一种不稳定的次原子粒子）时的电磁辐射。

因此，微中子望远镜常由光电管（浸在大型地下室水中、对紫外线和电磁光极其敏感的充气管）组成，以减少宇宙射线的干扰。光电管会记录、储存「契伦科夫辐射」（Cherenkovradiation，当微中子与水的电子或原子核发生交互作用时，便会产生）。接着，透过各光电管记下的时间和电荷信息，便可侦测出交互作用最高点、环侦测和微中子类型。

在「先进测试反应器」的中心，契伦科夫辐射发出光芒。

文中图片均来源于《How it works》杂志

作者：《how it works》科普团队

审核：白鹏 航天科技集团十一院 研究员