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为什么当代大型望远镜多是反射望远镜?

天文望远镜按照光学结构不同,可以分为两大类:折射式和反射式。最早的望远镜利用透明镜片对光的折射作用来成像,这就是“折射望远镜”。伽利略首次用于天文观测的折射望远镜就称为“伽利略式”望远镜。折射望远镜存在多种像差,特别是一种叫作“色差”的像差可以说是折射望远镜的天生缺陷,它会把一个点变成一个色斑。当时减小色差的方法只有将焦距变长,于是人们制造了很多镜身极长的折射望远镜,例如17世纪的著名天文学家赫维留斯制造的一架折射望远镜,长达40多米,使用起来十分不方便。

色差是由于玻璃对不同颜色光的折射率不同造成的。牛顿发现了完全克服色差的方法,即不让光线玻璃的内部产生折射,而是通过凹面镜的反射成像。据此牛顿设计出一种望远镜,后来称为“牛顿式”望远镜,这种望远镜没有用透明的玻璃片,而是用了一块凹的球面反射镜。球面反射镜与透镜一样,也可以汇聚光线。用它制成的望远镜叫作“反射望远镜”。

牛顿曾经预言折射望远镜无法解决色差问题。不过,后来人们用不同种类的玻璃结合在一起,制作出了消色差折射望远镜,甚至是高级的复消色差望远镜。这些望远镜成像比当时的反射望远镜更明锐,观测视场更大,成为天体照相和天体测量的利器。然而,随着人们需要口径越来越大的望远镜来探测暗弱的遥远天体,折射望远镜又变得力不从心了。由于光线要进入玻璃的内部,这对镜片内部质量的要求很高;消色差的望远镜物镜至少包含两片镜片,这样就需要研磨四个表面;镜片又厚又重,不但增加了镜筒的负担,还对光线存在严重的吸收。目前,世界上最大的折射望远镜口径为1.02米,是100多年前建造的,安装在美国的叶凯士天文台。此后人们再也没有尝试建造更大的折射望远镜。

相比之下,反射望远镜对光线没有严重的吸收,制造起来也简单许多,可以把口径做得很大,于是成了当今世界大多数天文台的选择。20世纪中期,5米级的反射望远镜已经投入观测,并且带来了许多重要发现。20世纪末,人们制作了10米级的反射望远镜,如今科学家又在努力研制30米甚至40米口径反射望远镜。在“口径为王”的专业望远镜中,如今理所当然成了反射望远镜的天下。