近代天文台與望遠鏡的發展──

兼介中央大學天文台

天文學貢獻良多

二十世紀是科學發展最輝煌、最有成就的世紀，在天文觀測、望遠鏡的設計，以及天文台的建造上也不例外──望遠鏡從古典式的折射鏡到傳統式的反射鏡，而進入二十世紀具有幻想性與創造性的望遠鏡；天文觀測利用太空技術的進步、人造衛星的發射，對太陽系中的行星、宇宙中的銀河系作更進一步的觀測與研究。天文觀測除了建造更大的望遠鏡及天文台之外，並能運用電子儀器來增加集光的效果。

在二十世紀一開始的時候，人類對於宇宙的了解仍大部限制在太陽系中，對於太陽系在本銀河系中的位置，也只是在剛開始了解的階段。1924年，由於觀測星體的運行、星團分布的情形，夏普萊（Shapley）才開始了解，太陽系也不過是本銀河系中的一個小系統，而且距離本銀河中心尚有三萬光年。

隨後，威爾遜（Wilson）山的100吋（2.5公尺）望遠鏡建造完成，赫伯（Hubble）繼續觀測其他銀河系的構造與運動，人類才更進一步深入了解宇宙。除了本銀河之外，宇宙中尚有成千成萬的銀河系，它們不停地旋轉運行，但是宇宙究竟有多大呢？100吋望遠鏡已經不能勝任，因此要想觀測宇宙中更遠的地方，天文學家就需要更大的望遠鏡。

1929∼1949年，歷經二十年的時間，200吋（5公尺）望遠鏡終於克服重重技術上的困難而完成（見圖一）。數年內，天文學家又開了更大的眼界，我們的宇宙也從小小兩億光年的半徑而增加到十幾億光年。顯然地，宇宙不可能在二十年之內膨漲那樣大，因此可以觀測的宇宙大小原來是與望遠鏡的大小有直接的關係。宇宙是真的有邊際嗎？讓我們來看看赫伯由觀測得來的結論，它含有深厚哲學的意味。赫伯說：

「由於距離的增加，我們對於宇宙的了解更是模糊不清，最後我們到達宇宙那暗淡的邊緣──望遠鏡所能看到的地方。在那裡，我們測量陰影，在誤差中搜索，追尋那可能不存在的標界。此搜尋不會停止，直到我們的技術與財源用盡為止。」

現在我們才了解觀測宇宙是沒有止境的。天文學家不但一方面要繼續地觀測，一方面也要不斷地建造更大的天文台及望遠鏡。事實上，經濟繁榮、科學進步的國家，都有完整的天文教育與天文台的設置，但是一般人卻認為，在台灣辦理天文教育及建造天文台，既不能加強國防又不能調劑生活，這些見解實是短淺又沒有見識。就拿我們極力推行國防科技來說，儘管可以成功地製造出飛彈，效力強大，但是如果沒有天體力學來計算長程飛彈軌道，不能射中目標，光有飛彈又有何用？

天文學雖不能直接改進人類的生活、增進經濟發展、加強國防建設，但是間接的，它對於人類的生活有不可忽略的貢獻。例如，早期天文觀測行星位置、運動、軌道等，而建立了今天時間的測定、大地測量的基礎；由於研究星體內在的構造及能量的發源而打開了原子核的奧妙，因此成功地製成原子彈與核彈，以及促進現在的原子能應用及核能發電。天文望遠鏡的發明，完全是為了天文觀察，經過改造卻導致如今顯微鏡在醫學、生物學、化學、金屬學以及工程上的應用；望遠照相機在軍事監視與電視傳真上的使用，相信沒有人可以否認這些光學器材的應用，對於改善人類生活及國防沒有關係。

從基本科學的教育觀點上來看，天文學綜合物理、數學、化學來研究宇宙中一切，並應用光學、電學以及機械上的發展來加強觀測技術。發展科技而不重視加強基本科學，有如在海灘上建築萬里長城，是毫無基礎的。再者，宇宙的龐大、神秘，銀河及星雲的自然美觀，也並不亞於藝術作品，宇宙對於人類的吸引與陶冶，並不低於哲學、文學及音樂。所以，天文學對人類的物質與精神生活都有不可磨滅的貢獻。

天文望遠鏡的演進

遠在十三世紀，培根（Bacon）首次利用幾片鏡片組成有放大作用的器材，但是很少人知道他的發明。1608年，荷蘭有一個製眼鏡的人名叫利蒲夕（Lippershey），正式製成第一架望遠鏡；次年，伽利略聽說利蒲夕的望遠鏡，也自製了一個有三倍放大的望遠鏡。伽氏的貢獻是他首先利用望遠鏡來觀測天體，而首先發現月亮上的隕石坑、木星衛星中的四個大衛星，以及大熊星座的雙星。

利用望遠鏡有系統地觀測星體的特別性質，如星的大小、距離、運行、亮度以及化學組成等，是天文在科學中第一次建立基礎，而打破了一般人對於星星的神話式幻想。

自伽氏使用望遠鏡以來，至今已約有四百年的歷史，望遠鏡的口徑雖增加數百倍，但其基本構造原理卻沒有多少改變。望遠鏡最基本的目的是集光，因為人眼睛所能看到的光度有限；望遠鏡另一個目的是清晰度及分解力，所以它除了集光之外，還要有高度的分辨力（resolving power）。因此，在這兩個基本條件之下，要增加望遠鏡的集光力及清晰度，唯一可行的辦法就是製造更大的鏡片（mirror）。但是，隨著製造大鏡片所發生的困難是它的重量，簡單的說，大又重的鏡片就需要更堅固的架子及轉動器材，因此製造成本也隨著增加。

折射式望遠鏡盛行三百年之久。目前，世界最大的折射鏡是芝加哥大學Yerkes天文台的40吋望遠鏡（折射式一般皆以吋為單位）。由於光學的特性，每吋折射透鏡約需要15倍長的焦距，因此可知1公尺口徑的折射式就需要15公尺長的筒子，一端支持物鏡，一端支持目鏡或照相機，而且必須用鏡片的周圍來固定透明鏡。所以大的透明鏡片會因本身的重量而產生變形，再加上支持透鏡的長形金屬筒也會受兩端的重量而彎曲，由於這些重量的限制，反射鏡就取代了折射鏡。

反射鏡的優良特性是製造成本低，而且只需一面完美的鏡片，又可以利用鏡子的背面來幫助固定，所以在二十世紀中所造的較大的望遠鏡，例如，美國加州威爾遜山的2.5公尺、帕洛馬（Palomar）山的5 公尺、美國Kitt Peak國家天文台的4公尺、美國Cerro Tololo國家天文台（位於智利）的4公尺、俄國的6公尺望遠鏡等，全都是反射式的。顯然由於經濟、技術及材料的限制，俄國的6公尺望遠鏡也許是用一塊反射鏡的最後一個反射式望遠鏡。俄國完全是為了政治上的競爭，要顯示他們的技術可以超過歐美，所以才造了如此大的反射式望遠鏡。事實上，由於材料的使用、精密儀器的缺乏，再加上鏡片本身的重量過大，俄國的6公尺望遠鏡一直未能發揮其最大效果，這也是美國國家天文台為何不建造更大一面鏡子的望遠鏡的理由。

為了能明確地了解造大望遠鏡在成本上的問題，現在讓我們來看看經常到中央大學訪問的麥亞鼎（Meinel）教授所得到的結論：就以中央大學天文研究所的0.61公尺反射式望遠鏡來說，天文台本身建築不算，望遠鏡本身就需要20萬美金，而望遠鏡的製造成本並不是與口徑成正比（直線關係），所以帕洛馬山的5公尺望遠鏡就需要2000萬美金，望遠鏡的口徑約增加七倍，經費卻增加了一百倍（見圖二）

天文觀測不可能就停留在5、6公尺的口徑，如赫伯所說，人類會繼續製造更大的望遠鏡及天文台來探測宇宙。大的天文台需要更精密的儀器、技術，更需幻想性的設計、大規模的機構及特殊訓練的人才來管理，因此就需要巨大的成本。

設立國家天文台

古代天文台一向是屬於國王及君主所有的設備，望遠鏡也是他們可以顯示給朋友看的一種玩具，學天文也完全是有錢人家業餘的娛樂。當天文學被認為是科學的時候，天文台的設立仍然是由富人支助。就以美國許多天文台來說，直至二十年前，90％的大型天文台及望遠鏡都是由私人基金會組織而建立的，如芝加哥大學的Yerkes（40吋）、加州大學的Lick（36吋）、匹玆堡大學的Allegheny（30吋）、維琴尼亞大學的Leander McCormick（26吋）、衛斯理楊大學的Van Vleck（20吋）──以上皆為折射式；反射式的有卡內基（Carnigie）基金會支助的威爾遜山（2.5公尺）、帕洛馬山（5公尺）與德州大學的McDonald（2.7公尺）。當望遠鏡及天文台的維持成本增加過高之後，許多大學及州政府也慢慢地接管天文台。大學的經費也是有限，且各大學所在的位置也不見得適合觀測，再加上人員的變動，常常一個很有成就的天文台，在十幾年內轉變成荒廢無用。所以目前歐美各國大型望遠鏡及天文台，皆由國家來建造及管理，規模最大的有位於美國亞利桑納州的Kitt Peak　國家天文台（見圖三）、美國Cerro Tololo天文台（見圖四）、新墨西哥州的Sacra mento峰的國家太陽天文台、西維琴尼亞州的國家無線電望遠鏡天文台等等。

國際合作的天文台，有智利歐洲盟國天文台（European Southern Observatory, ESO，見圖五）、英國南非天文台、美國夏威夷Maner Kea山英、美、法、加天文台（見圖六），除此之外尚有澳洲國家天文台、法國國家匹克杜密的（Pic du midi）天文台。

這些國家及國際天文台都有良好管理系統，有經驗豐富的專家輔導。這些天文台及設備，一般來講，都是無條件的供給各大學教授們使用。為了不浪費望遠鏡的時間與經費，一個使用望遠鏡的研究計畫必須被審查通過，國家天文台不但供給膳宿，並支助來回旅費。統一管制天文台是目前最經濟、最有效的一種辦法，其他的好處尚有學術及人員的交流、觀測結果的交換等。

多鏡片式望遠鏡

到目前為止，一般的反射式望遠鏡都是固定裝置在一個鐵架上，因此操作與校準都很方便。其缺點仍是反射鏡的口徑與厚度有一定的比率（5：1）。此類望遠鏡有以下三種限制：

一、鏡片的重量（W）增加大約是直徑（D）的三次方，W≈D³。

二、鏡片的強硬性（S）是鏡子厚度（T）與其直徑的二次方之比，S≈^T/D²。如果為了減輕費用而把鏡片做得薄一點，鏡片就很容易變形。

三、天文台的圓頂製造經費約等於望遠鏡的鏡片，因此為了減小圓頂，望遠鏡的焦距必須減小。縮短焦距通常要減少觀測距離及位置的準確性，而且清晰度及分辨力會變差。

為了克服以上三個限制，造大望遠鏡如要減輕重量又不能減小鏡片的厚度，那唯一可以解決的辦法是設計新式下一代望遠鏡（next generation telescopes, NGT）。NGT的設計富有創造性及幻想性，有數種之多，其中要以多鏡片式望遠鏡（multiplemirror telescope, MMT）最為適合，目前最大的目標是建造一個25公尺的望遠鏡。

為了更進一步了解此類MMT的特性，亞利桑納大學及斯密遜尼天文台（Smithonian Astrophysical Observatory, SAO）共同出資做了一個小形的MMT。此望遠鏡位於亞利桑納州圖山（Tucson）南方64公里的霍金斯（Hopkins）山，一共由六面1.8公尺的反射鏡組成，固定在一個六角形的架子上，總集光力約等於4.5公尺傳統式反射望遠鏡。為了要使六面反射鏡都是一致地指著一顆星，在它們當中，尚有一面0.75公尺的指向望遠鏡，並用了十二個雷射光來自動地校正個別反射鏡的方向，然後再把六面鏡子的光集中到一點，來增強光度（見圖七）。霍金斯的MMT目前已製造成功，並在試驗的階段，如果它的觀測試驗結果良好，更大型的MMT將會繼續被採用。如今，有計畫的如加州大學的10公尺MMT及歐洲南美天文台的16公尺望遠鏡。

在此，我們必須再看看麥亞鼎教授夫婦在六十八年秋天訪問中央大學時，為加州大學所設計的10公尺MMT（見圖八）〔因此他將這個設計稱為「中壢桌式望遠鏡」（optical table telescope）〕。這個望遠鏡的特性是利用三十個1.5公尺的反射鏡來組合成物鏡，2公尺大的副鏡（secondary mirror）裝置在一個桌形的軌道上，此副鏡可以用小電車換上不同性質的儀器及不同焦距的副鏡，這件設計主要的目的是減輕重量，同樣的也就減低費用。

麥亞鼎教授對於MMT的設計與創造有特殊的貢獻，因此獲得美國1980光學學會的Ives金獎章。

無線電望遠鏡的發展

1932年，詹斯基（Jansky）在貝爾電話公司為了研究長途電話干擾的來源，無意中用他的天線接收到宇宙星體與銀河系發出的電波噪音。1940年，瑞伯（Rebel）首次將詹斯基的天線改製成碟形天線，而且作有系統的觀測，此後即有無線電望遠鏡（radio telescope）之稱，為現代天文觀測技術，又打開了一個重要的窗戶，由此而發現了類星體（quasars）及波霎（pulsars），由於波霎的發現，相繼導致中子星與黑洞的理論計算與觀測的證明。

無線電望遠鏡除了在不同的波長下觀測之外，它們的構造與光學望遠鏡十分相似，也就是大的面積可以增加集光。目前，最大而且可以操縱的有美國國家無線電天文台的250呎（無線電天線通常仍用呎為單位）天線、澳洲派克斯（Parkes）天文台、英國曼徹斯特（Manchester）大學天文台的250呎。

最大的天線是美國康乃爾大學在波多黎哥的800呎天線，此天文台建築在一個熄滅的火山口，利用地球的自轉，其天線可以掃射天空，再加上接收器的變動，可以觀測大部分的天空。

如要建立更大的碟形天線，許多困難又伴隨而至，所以無線電望遠鏡早就利用MMT的原理。一般的辦法是把數十個小型的碟形天線串聯起來成一條線，或是交叉成十字形，這樣排列一方面可以增加收聽信號的靈敏度（如光學的集光），另一方面也增加觀測位置的精確度。分辨力通常是指觀測到物體最小的角度為S= ^λ/D，此處λ是觀測的波長，D為天線與望遠鏡的直徑。如果波長固定，當D增加，S就變小，所以分辨力增加。把天線排成一聯串，就是一個增加D的辨法，如新墨西哥州的Very Large Array（VLA，見圖九）。

目前，在地球上最大的D就是地球的直徑，因此美國早已與東歐各國有合作觀測的計畫。他們的辦法很簡單，只要兩個望遠鏡是「同時」（synchronized）觀測一個天體或無線電波的來源，觀測的結果儲存在電腦磁帶上，然後把兩處觀測的磁帶用一個計算機來分析。只要這兩個觀測的時間是同步的，兩個無線電望遠鏡並不需要用電線聯結起來，它的效果和MMT一樣。

光學望遠鏡也計劃採用這種串聯的方式來增加分辨力。MMT真能減少製造成本嗎？麥亞鼎教授曾於1978年，在國際未來望遠鏡（future telescope）會議中發表了比價表（見表一）。

從10公尺望遠鏡的比價表可以看出，製造MMT比普通一面鏡片唯一可以節省的經費，不是天

文台的建築費，而是望遠鏡本身。

除了MMT之外，下一代望遠鏡的設計也正在著手研究，例如設計輕又薄的鏡片。鏡片的重量減少，也同樣可以減少製造成本。

集光器材的發展

望遠鏡主要的目的是集光，由於口徑增加，我們可以看得更遠，觀測更暗的星體。為了達到此目的，造大望遠鏡只是其中一種辦法，其他的辦法尚有使用非常精密的電子集光儀器，此類儀器可以裝置在望遠鏡的焦點面（focal plane），使望遠鏡放大的成像，再加上電子儀器放大。目前大致來說，有兩種不同的方法：一種是使用電子儀器，如影像管（image tube intensifier）或光電管（photomultiplier）；另外一種辦法是利用光學的原理，把在焦點面成像的位置再附加上縮影照相機（reducing camera）。在此僅討論影像管及縮影照相機兩件儀器。

一、影像管

簡單的說，眼睛、軟片及影像管都可以感光。眼睛的集光能力很單純，它只能在單位時間內接受到一定的亮度，所以不管眼睛瞪視多久，也不能增加亮度，而且可以看見的波長只限於可見光。照相軟片可以取代眼睛的缺點，軟片不但可以把底片曝光的時間加長來增加亮度，而且還可以利用不同性質的底片來適應不同的顏色，顏色就是對不同波長的效應，這就是天文觀測所用的硬片（plate）。感光片雖有許多優點，它的缺點仍是感光效力不夠。例如帶有感光性的乳狀膜，通常皆需一、兩百個光子才可以使一個化學感光粒子發生效應。觀測宇宙中非常暗淡的星體，底片所收到的光子不多，因此就是很靈敏的硬片，仍然需要很長的時間才可得到一張照片。

影像管最大的特色，是利用一種可以有光子發射的表面（photoemissive surface）。當一個光子碰到這層表面時，就會有一個電子放出，這個電子再射到一個含磷酸鹽的幕（phosphor screen），螢幕就會產生一百個左右的光子。此螢幕可以攝影，也可以再繼續地經過第二級，甚至於第三級影像管，目前最大的影像管一共有七級之多。例如作者在美國國家天文台所用的1公尺影像管光譜儀（image tube spectrograph，見圖十），可以將同一顆星的光譜曝光時間從60分鐘減少到6分鐘，感光時間縮短十倍，也就是等於望遠鏡的集光效力增加十倍。所以一個1公尺的望遠鏡附加上影像管光譜儀之後，它的集光能力就有如2∼3公尺的口徑。

二、縮影照相機

此照相機是麥亞鼎及摩根（morgan）教授所設計的，它最簡單的原理是將望遠鏡的f- 比率（f- ratio，焦距與望遠鏡口徑的比率）從^f/15降到^f/3。通常一個^f/3的照相機要比一個^f/15的要快，也就是說^f/3照相機的曝光時間要短。圖十一是芝加哥大學40吋折射式所攝的照片。這兩張照片都是用同樣時間感光，顯然地，有縮影照相機的照片亮得多。

中大天文台的遠景

中大物理天文研究所為台灣目前唯一設有天文教育的大學。中大正在建造天文台及0.61公尺反射式望遠鏡（見封面），這是台灣目前最大的望遠鏡。天文台附設的尚有天文照相機（astrographic camera）、縮影照相機、光譜光度儀（spectrometer），這些器材皆能增加一小型的0.61公尺望遠鏡的研究效力。中大並計劃在短期內購置影像管及其他精密儀器。由於電子集光儀器的增加，中大望遠鏡可以有如1.5公尺的效力。

除了教學之外，由於觀測儀器的關係，中大天文台將在最近幾年內，集中力量在可見光譜與光度的觀測、分析及研究上。在可見光部分，這類的研究約佔歐美各國天文台觀測60％的時間。從分析光譜與光度的資料，可提供對於星體的光亮度、運行、化學成分、表面壓力、重力、運動的速度、磁場的強度以及恆星進化等更新的知識。觀測的結果，可配合天文物理學家的理論計算，因此中大天文台將觀測與理論並重。

在教學方面，中大現有七位天文與天文物理教授；碩士班課程有天文觀測技術、光譜光度學、天文物理、宇宙論等等。中大一方面增強望遠鏡的儀器，另一方面聘請天文教授人才，當這一切準備就緒，中大並計劃在數年內辦理博士班教育。以目前情況來看，各大、中學皆可能在短期內增開天文課程，因此需要教學人員。中央氣象局及台北天文台皆在擴張，並需天文從業人員；國防科學急需飛彈軌道設計及計算人員，所以修習天文學生，在以後十年內，不會有找不到工作的困難。

在國際合作方面，目前已有二十四個國家與六十九個天文台與中大天文台交換研究刊物。中大天文台位於東經121°10'，北緯24°58'，為目前東南亞在低緯度唯一的天文台，因此兩個美國天文台（亞利桑納大學及康乃狄克州西方學院）與中大有共同合作計畫，尚有其他兩個天文台願意與中大建立合作研究觀測計畫。此類合作包括人員進修、交換及短期訪問。與國際天文台合作，也是一種最有力的國際外交關係。

（所有天文台照片皆為該天文台提供，其中少數照片為作者與蔡文祥先生所攝。）

參考資料

1. Heeschen, "Very Large Array Project", Sky and Telescope, June, 1975.

2. Carleton and Hoffman, "The Multiple Mirror Telescope Observatory on Mount Hopkins", Sky and Telescope, July, 1976.

3. Meinel and Meinal, "Large Optical Telescopes of the 21 th Century", Future Telescope Conference, Geneva, 1978.

4. Meinel and Meinal, "Design Consideration for a 10-meter Optixal Table Telescope", Chung-Li Study, 1980.

呂克華現任教於美國康乃狄克州西方學院，曾任中央大學物理天文研究所客座教授。

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