天文望远镜的灵魂三问

 文/克留

近些年以来,中国天文学的发展日渐受到公众的瞩目。但是对于大多数人来说,天文望远镜还是一件陌生事物。因此,很多人第一次见到天文望远镜,往往会萌生出这三个问题:这台天文望远镜:

1.能放大多少倍? 

2.能看多远?

3.值多少钱?

 配图 1:路边天文 (Sidewalk astronomy),又称街头天文是指天文爱好者在城市的街道上设置光学望远镜,在牟利或非牟利的基础上,从事娱乐或公众教育行为的活动。在这类活动中,我们最常被问及的就是以上三个问题。这就是本文的缘起。图为2019年7月13日20点-22点,由星缘山风队发起的“回望月球——纪念人类登月50周年”主题路边天文活动现场。星缘队员们使用自己的望远镜设备,向公众免费提供观察月球的机会。供图:星缘山风队  作者:路辰

以上三个问题,也是我们在路边天文活动中最常听到的疑问。但是很遗憾,以上三个问题对于天文望远镜来说,都不够触及灵魂。我们来依次进行分辨:

1.能放大多少倍?

“放大倍数”不但是很多公众关心的问题,也是很多无良商家向入门者兜售劣质望远镜的卖点。号称放大上千倍、上万倍的天文望远镜,在电商平台上满目皆是。


配图 2:某电商平台上兜售的业余天文望远镜。图中含有非常经典的夸张宣传,仿佛是对“伪·灵魂三问”的呼应:号称可放大875倍,可看到200亿光年的距离,价格只需499人民币。如果这三点全部属实,那么这台望远镜一定是未来穿越至今的黑科技。目前,天文望远镜销售实体店非常少。网络电商是天文望远镜的主要销售渠道,而这类夸张甚至涉及虚假宣传的词汇在各平台上比比皆是。不少消费者因此上当受骗,就此打消了发展业余天文爱好的尝试。这类商家,是我们天文爱好者共同的敌人。供图:笔者截图于某电商网站。

  

但其实,对于天文望远镜来说,放大倍数并不是很重要。
一方面来说,就我们日常容易观察的一些明亮天体目标而言,完全不需要太大的放大倍率。比如,在40-50倍的放大之下,我们在视野当中能够看到完整的月亮,并观察清楚月球表面大型的环形山和月海;能够分辨出木星至少3条云带及其四颗伽利略卫星;加上巴德膜之后我们可以看清楚太阳表面的黑子(前提是当时太阳表面有黑子);能够分辨出昴星团(七仙女星团)里较亮的星点数目;把开阳双星清楚地分辨成两颗星。这些观察体验,才是业余天文观察时真正的乐趣所在。指望使用地面上的小型望远镜看到月球上的阿波罗登月舱,或者看到绚丽多彩的星云星系,或者看一眼就发现新的星星,都是不切实际的期待,与放大倍数也没有关系。

配图 3:在1.2°视野直径下,放大43倍时观察到的月亮。此时月亮看起来的大小,就已经大约相当于我们看一臂距离之外的篮球的视直径了。这样的放大倍率,对于猎户座大星云(M42)来说,可以将其主体结构放大到充满整个目镜视野;而对于仙女座大星系(M31)来说,甚至无法将其旋臂边缘收入视野。所以,太大的放大倍率会造成视野过窄,影响入门爱好者观察整个天体。以上截图只用于示意放大倍率与目镜视野的关系。肉眼通过目镜目视观察时,能够看到多少细节和颜色,则受到更复杂因素的影响,在此不做展开。供图:笔者截图于Stellarium 0.19.0


另一方面,超出望远镜分辨率的放大倍率更是毫无意义。我们来举例说明。现在我们拍照片,无论是用数码单反,还是智能手机,拍摄出来的都是数码照片。把数码照片在屏幕上打开,全屏,放大。放大到最后,你看到的将不再是清晰的图像,而是一个个的小格子。这就是“像素”。当你分辨出像素的时候,这就说明你此时已经将照片放大了至少上千倍。但是,这时候你却看不到清晰的图像了。这说明,这个时候虽然放大了上千倍,但却毫无意义。


配图 4:深空摄影习作三角座星系(M33),使用小型望远镜接驳全幅单反相机直焦拍摄。图片经过简单处理后,尚可分辨出星系核、旋臂等主要结构。而如果对图片一味地放大,最终只能够看到这些马赛克一样的“像素”,对于以欣赏图片为主的业余天文摄影来说,这种超出分辨率的放大,几乎就是毫无意义的。供图:笔者

对于天文望远镜来说,也是一样的道理。单纯地从光学结构上来说,我们使用简单的目镜和增倍镜叠加组合,就可以达到所谓的“放大几千倍”甚至“几万倍”。结果往往就是看不清楚任何目标。这时你应该明白,单纯地追求“放大倍率”毫无意义,我们追求的其实是“看清楚”。

那么,什么才是天文望远镜最重要的数据呢?答案是“口径”。一般的光学天文望远镜都有一个圆柱形的主镜筒,“口径”大约就是这个圆柱体的直径。

为何“口径”最为重要呢?天文望远镜本质上是一个收集星光汇聚星光再放大成像的仪器。因此,能在单位时间内,收集更多的星光,就能够看到更多的细节,也就看得更清楚。比方说,在瓢泼大雨的时候,你有一个口很敞但不太深的大盆,和一个很深但口很窄的试管。那么,想要在相同时间内收集更多的雨水,很显然是大盆更有优势。现在我们把雨点替换成星光。想要在单位时间内收集更多的星光,就要加大天文望远镜的口径。

总之,放大倍数太大,不但会造成视野过窄,影响入门爱好者观察在目镜中完整地观察一些天体,还会造成超出分辨率,无法看清任何目标的尴尬。因此,对于天文望远镜来说,最直击灵魂的问题应该是:这台天文望远镜的口径是多少?、

常见的业余天文望远镜口径,最常见的是80mm左右,业余级别最大口径在500mm左右差不多是个上限。哈勃太空望远镜口径是2.4米。中国目前正在筹建的大型地面光学望远镜(TMT)口径达30米。坐落在贵州的FAST望远镜口径为500米,但那是射电望远镜。

2.天文望远镜能看多远?

天文望远镜能看多远并不是由其自身决定的。

我们还是举例来说,在你身边和你交谈的朋友,距离你1米多,你看他时看到的距离就是1米多。晴朗的白昼高悬在天空的太阳,距离你大约1.5亿千米,你观察太阳(注意应使用相应的保护措施,不要灼伤眼睛)的时候看到的距离就是1.5亿千米。而夏季夜空,有一颗明亮的星——织女星,织女星距离我们大约25光年,你观察织女星时看到的距离就是大约25光年。因此,你能够看多远,取决于你观察的目标距离你有多远。

对于天文望远镜来说,也是一样的道理。广阔的天空,漫天的繁星,都是天文望远镜的观测目标。这些天体远近不一,而远近距离尺度从几万公里一直到百亿光年,跨度非常大。有的天体虽然远,但能发出强烈的光,我们也能看到它。有的天体虽然近,但是尺寸小,又只能反射微弱的光线,我们就很难看到它。

配图 5:如星图所示,极限星等越高,可以看到的星就越多。而反过来说,想要看到星等更高(更暗)的星,就需要更好的环境,在同等环境下就需要更好的收集光线的能力。对于望远镜来说就是更大的口径。图片来源:香港天文学会论坛(https://forum.hkas.org.hk/thread-4574-1-1.html)

因此,这个问题正确的问法应该是:这台天文望远镜能够看到多么暗弱的星?(这台天文望远镜的极限星等是多少?)

一般来说,小型业余天文望远镜就可以看到比太阳(视星等约-26.74等)暗弱7.8*1015倍的星点(约13等星)。而哈勃太空望远镜可以看到比太阳暗弱4.9*1022倍的星点(约30等星)。当然,这是极限数据,也就是说,只能在环境极好,光学工艺极佳的前提条件下才能实现。

3.值多少钱?

其实在欧美发达国家,入门级的业余天文望远镜就是普通家庭里常见的摆件或陈设。在每年圣诞购物季销量最好的礼品用望远镜售价差不多都在200美元左右。这些天文望远镜重量和尺寸都不会太夸张,操作也相对简单。在晴朗清澈的城市夜空,用来观察月亮、木星、土星、昴星团、猎户座大星云等明亮天体绰绰有余。而这些行销欧美的礼品天文望远镜,绝大多数都是有中国厂家制造的。说这些,是想告诉你,不要对天文望远镜的价格有过高的猜想,也不要恐惧它。中国早已是世界上业余天文望远镜产量最高的国家,且产品质量覆盖了高、中、低各个档次。

我们仅以业余天文望远镜来说,入门级天文望远镜价格在1000~3000元人民币左右,低于800元的天文望远镜则只能当做玩具了。

5000元则是入门级深空摄影望远镜的价格门槛。一般来说,这个价位的器材开始有自动寻星功能、导星接口、极轴镜等功能拓展的可能。

发烧级深空器材整套下来不但要包含天文望远镜主镜筒,还需要有高精度的赤道仪、高品质的天文照相机、导星镜、导星照相机等,再配合以笔记本电脑等配件。这个门槛大约为1.5万元。怎么样?是不是没有你想象的价格那么离谱?但是,深空摄影的器材不存在一揽子打包好的套装,基本上都是自己一件一件拼攒起来的。在使用过程中还需要不停的调试和测试。

除了以上这些每次使用都要搬来搬去,拼装调试,使用过后还得拆散装箱装车的业余天文望远镜(国内俗称使用这类望远镜的天文爱好者为“野战党”),还有一类业余天文望远镜则会有相对固定的观测地点。这类望远镜的主人,我们俗称为“远程党”。他们首先自身具有一定的知识和经验,且有一定经济实力。他们或三五成群,或十余人集资选择一处海拔较高、空气质量较好的地点,修建一座可活动屋顶的小房子来安放望远镜。在其中进行相关安装与调试之后,只要能够保证房屋的电力和网络的供应,后续的大部分操作工作——开关天窗、转动望远镜、寻找目标、开始拍摄、下载数据等——都可以在无人现场值守的状态下,通过网络远程完成。这种房屋我们称之为“小型业余远程天文台”。几十年前,率先进行这种尝试的主要是欧美天文爱好者,他们在荒凉干燥的山地、高原上修建了为数不少的这种设施。

而中国国土幅员辽阔,适宜兴建小型业余远程天文台的地点也很多。近些年来,一方面随着国内业余天文爱好者经济实力的普遍增长,另一方面随着中国道路、电力、通信网络的普及化建设,使得以个人之力修建小型业余天文台,在中国也不再是天方夜谭。截止目前,国内初步具备远程拍摄能力的小型业余天文台,据笔者最保守的估计也有十余座。其中安放的设备,每套价位大部分集中在5-10万元人民币这个区间。目前我们在网络上看到的很多由业余天文爱好者拍摄的色彩绚丽、细节丰富的深空天体照片,大多数也是由这个价位的器材完成的。少数特别高端的玩家,整套设备能够达到30万元人民币以上。100万元以上的私人业余天文望远镜则凤毛麟角。很多时候,吃瓜群众看到一套挂满各种外设、浑身插满线路的深空摄影系统,就不明觉厉地惊呼道“是不是很贵?得几千万上亿?”放心,没有这样的事情。

配图 6:两套看起来外型、尺寸接近的业余天文器材,由于工艺品质的差距,实际的价格相差十多倍。上左图为本文笔者自用设备,连结上所有附件后市场售价大约3万多元人民币。上右图则为云南双子天文庄园远程天文台安放的一套发烧级深空设备,整套器材市场售价大约30万元人民币,其光学品质在国内业余天文望远镜领域处于前列。供图:笔者


配图 7:马头星云(IC434)与火焰之星星云(NGC2024)使用与配图6中笔者同款的业余深空摄影器材,即可以拍摄出这样漂亮的深空天体照片。当然,这需要热忱的爱好、良好的环境、晴朗的天气、操作拍摄的技巧和后期处理的方法,以上条件缺一不可。而并不是花3万多元买来器材就一定可以拍摄出这样的照片。供图:老照

当然,总的来说,在同等工艺水平下,价格越贵的天文望远镜,往往尺寸越大,重量越沉,越难以搬动,操作越复杂,越不适合孩子使用。所以,你要改变的观念是:天文望远镜不是单纯给孩子摆弄的玩具,而是一个可持续深挖的业余爱好。

因此,与其恐惧天文望远镜的价格,入门者更应该好好思考的是自己是否有足够的热情和精力去学习使用它。如果你买了一台业余天文望远镜,你会多久使用它一次?

综上所述,对于天文望远镜来说,触及灵魂的真·三连问应该是:

天文望远镜:

1.口径多大?

2.能看到多暗的星?

3.你多长时间用它一次?

后记:文章看完了,不知道大家是否都能够理解。不理解的话也不要紧,我们还会有大把的活动机会供你实践。有兴趣参与我们以后路边天文活动的朋友,请扫描以下二维码添加“星缘小管家”为好友,加入我们的路边天文活动群。对了,以后路边天文活动时,真的别再问着三个问题了……

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