高难度副本任务挑战:DIY磨制镜片,看清木星上的云层

科普中国网 2017-04-11 作者:肖邦

  近日央视的一则新闻引得很多人点赞:福建一位50岁的颜明哲从小是个天文迷,他将一块直径24cm的玻璃,手工打磨成了精度极高的牛顿式反射望远镜镜面,并自制刀口仪和跟踪器,用他自制的望远镜能将木星上的云层拍得清清楚楚。

  新闻视频中介绍说,颜先生现有二十多年的机械加工经验,出于自身的兴趣爱好,以及想把光学和机械知识进行实际运用的想法,开始了自己手工打磨加工牛顿式反射望远镜镜面的历程。他选择了一块直径24cm的玻璃,打磨的牛顿式反射望远镜的主反射镜形状选择了抛物面而不是球面,花了近一个月才磨制成功。颜先生有着丰富的机械加工经验,他还根据刀口仪的原理(刀口仪是用来检验光学零件或光学系统质量的仪器),不但自制了一个刀口仪来检验自己手工打磨的镜面的精度,还自制了一个跟踪器(也称赤道仪,是天文望远镜为了抵消地球自转对天体观测的影响,使目标天体在望远镜视场中始终保持相对静止的一种装置),并且用这个DIY的镜面组装成望远镜,能够看清木星上的云层。这事到底有多牛呢?

  牛顿式反射望远镜

  光学天文望远镜可以分为两类:折射式和反射式,折射式的原理是光线折射透过多个镜片后成像,反射式的原理是光学经过多次镜面反射后成像,像常见的双筒望远镜是折射式望远镜,而大口径的地面光学天文望远镜(例如夏威夷的直径10m的Keck望远镜)多是反射式望远镜。

  牛顿式反射望远镜是第一种制作成功的反射望远镜,它的主镜反射面一般是球面或抛物面,其光路图如下:

  牛顿式反射望远镜的光路原理

  牛顿式反射望远镜由于主镜面加工起来相对简单,通常为业余天文爱好者DIY的首选。

  如何才能看清木星上的云层

  木星,英文名称Jupiter,中国古代俗称岁星、太岁,是太阳系内最大的行星,它有着浓厚的大气层,表面有红、褐、白等色彩缤纷的与木星赤道大体平行的条纹图案,最宽的条纹宽度和木星上著名的大红斑的尺度差不多(约4万千米),木星的直径约14.3万千米(赤道附近)。

  木星上的条纹和大红斑

  木星绕太阳公转的轨道半长轴是5.2个天文单位,地球距离太阳约1个天文单位,木星距离地球最近时(木星冲日前后,2017年木星冲日是在4月8日)大约是4.2个天文单位(1AU=1.496×108km,4.2AU=6.28×108km)。

  木星冲日时,木星与地球距离最近,从地球上看木星显得最大最亮,其视直径可以达到约47角秒,而此时木星上最宽的条纹的视角直径也可以达到13角秒(根据弧度公式L/r计算得出,式中是在地球上看木星或木星上条纹的视角直径,L是木星或木星上条纹的尺度大小,r是地球和木星的距离)。

  因此,如果想要看清木星上的条纹,使用天文望远镜观测木星时的极限分辨率一定要在13角秒以下。根据光学知识,望远镜的极限分辨率q可以用以下公式表示

q=1.22×l/D

  式中l是光的波长,D是望远镜的口径。我们知道,太阳辐射的峰值在可见光波段,其峰值波长约为500nm,并将颜先生自制望远镜的口径0.24m代入公式计算可知,颜先生自制的24cm望远镜的极限分辨率大约是0.5角秒,小于13角秒,能够满足看清木星上的云层的要求。

  但是,事实并没有这么简单。如果根据上面的望远镜的极限分辨率公式,我国云南天文台位于丽江高美古的2.4m口径光学天文望远镜的极限分辨率是0.05角秒,然而在地球上所有的天文台台址,用光学望远镜观测遥远天体(可视为点状源)所成星像的实际角直径也远超过了0.05角秒,这是因为地球上有大气,大气的抖动、湍流会使得星像变大,这种抖动、湍流对像木星这样的面源天体的影响更大。

  天文学中常用来描述大气抖动、湍流的一个参数是视宁度(Seeing),表示地球大气对光学成像的影响程度,星像越清晰(星像视直径越小)就说明视宁度越好,大气抖动、湍流小,星像越模糊发散(星像视直径越大)就说明视宁度越差,大气抖动大、湍流剧烈。在不使用主动光学技术和自适应光学技术的前提下,地球上最好的天文台台址的Seeing在最理想的大气条件下也只能达到0.4角秒左右(例如在Hawaii的Mauna Kea)。

  考虑到视宁度因素,从地球上要分辨清木星上的大红斑和最宽的木星条纹(大红斑的尺度和木星条纹的宽度大致相当),至少需要使用口径在12cm以上的望远镜才行,而颜先生的自制牛顿式反射望远镜是符合这一要求的。

  望远镜DIY很难吗?

  以颜先生的经历来看,说困难也困难,说简单也简单。颜先生是一个资深的天文发烧友,打小就喜好天文,且拥有二十几年的机械加工经验,动手能力强,还会从天文爱好者的论坛上获取所需的天文、光学、机械、电子等知识,并且选择的镜面形状是抛物面,是二次曲面,相对简单一些(比球面加工起来复杂些,但是和Schimdt望远镜的四次曲面形状的改正镜的加工难度相比,完全就是小儿科了)。颜先生并不是一个独特的个例,很多天文爱好者实际上也具备进行磨制小型望远镜镜片的DIY能力,这些镜片的直径一般在五六十厘米以下,业余天文爱好者对于尺寸更大的镜片加工就无能为力了。

  但对于一般人而言,如果没有必需的知识储备、丰富的动手操作经验和坚持不懈的毅力,天文望远镜镜面DIY这种精细活还是只适合静静地看着就好啦。另外,友情提示,4月11日凌晨,天空将上演“木星合月”的天象,木星会运行到与月球较近的天区,木星在天空的位置距离月球最近时仅有2°。如果你不巧错过了前几日的“木星冲日”,现在千万别再错过“木星合月”了。


本文由中国科学院国家天文台研究员郑永春进行科学性把关

责任编辑:王超

科普中国APP 科普中国微信 科普中国微博
科普中国网
是中国科协为深入推进科普信息化建设而塑造的全新品牌,旨在以科普内容建设为重点,充分依托现有的传播渠道和平台,使科普信息化建设与传统科普深度融合,以公众关注度作为项目精准评估的标准,提升国家科普公共服务水平。

猜你喜欢