镜中宇宙
Alan W. Hirshfeld
译自Sky & Telescope, Vol. 109, No. 2 (2005)
照相机和分光仪的出现，让天文学家专注于发展能把更多的星光汇聚到新造仪器上的手段。
19世纪即将结束的时候，邻近宇宙正为人所关注。照相机和分光仪这样的新技术赋予了一门逐渐长成的科学——实测天体物理学最初的立足点。太阳和几颗亮星的化学组成、太空中恒星运动的信息，以及照片上那些自古以来躲避了目光锐利的观测者视线的天体结构，都只不过是天文学家用于展示新仪器分析和发现宇宙潜力的途径之一。
上图：20世纪上半叶，天体物理学的中心是威尔逊天文台。从1917年到1948年，这里拥有全世界最大的望远镜——100英寸胡克（Hooker）反射式望远镜（右，Copyright 1925 Huntington Library）。
但是，在银河系那不完整的边境以外，更深层的宇宙空间中又有什么呢？这里是神秘的旋涡星云的领地，照相机和分光仪的能力因天文学家研究对象的迅速变暗而发生了动摇。为了有效利用这些技术，需要从根本上增大最基本的天文仪器——望远镜。
1800年代，美国与其他国家最主要的望远镜都是折射镜。不过1897年，当40英寸的叶凯士（Yerkes）望远镜在芝加哥郊外落成之后，折射望远镜的技术达到了顶峰。任何比叶凯士折射镜更宽更大（因而更厚）的透镜所能吸收的光线都会远远多于试图穿过它的、已经很微弱的星光。而且这已经作了假设，认为工程师可以避免大质量玻璃因自身重量导致的压陷问题。
另一方面，以镜面为基础的望远镜将光线反射到焦点，光线本身不会进入反射镜内部。因此可以将反射镜的背面牢固地支撑住。如果有合适的制造设备，反射镜尺寸仅有的极限似乎就是制造者的想象力外加钱包。
金属开端
1668年：11/3英寸，牛顿革命性的反射式望远镜镜可以将天体放大约35倍。
图片提供：皇家学会
艾萨克·牛顿（Isaac Newton）被誉为1668年第一架实用反射望远镜的制造者。这架小仪器有6英寸长，口径11/3英寸，可以将天体放大35倍。镜子的成分是钟用（或镜用）合金，这是一种铜锡合金，牛顿还向其中添加了砷，以增加其“白度”。它充其量不过是一块粗糙的镜子，表面只能反射16%的入射光线，而且也很容易变暗。尽管如此，用牛顿望远镜所成的月球影象据说与当时典型的小口径望远镜一样清晰。
1672年，法国人卡塞格林（Cassegrain）制造了一架拥有副反射镜的仪器。副镜通过主镜中心的一个洞，把光线反射到主镜后方，而不像牛顿式设计那样将光线反射到镜筒一侧。[英国人詹姆斯·格雷戈里（James Gregory）在牛顿制成其反射望远镜之前几年曾试验过几种卡塞格林式设计的变体，但没有成功。]1700年代，英国望远镜制造者约翰·哈德利（John Hadley）与詹姆斯·肖特（James Short）各自经营了销售金属反射望远镜的新型产业，所售的望远镜口径大至18英寸，声称有着大得夸张的对天王星的发现是追求大口径的开端。虽然当时制造望远镜的专业工匠主要将精力集中在精密的小型折射镜上，赫歇尔却发起了制造大型反射镜的改革运动。他的望远镜将成为科学发现的巨型设备，它们可以窥视深层宇宙，辨认出以前从未见过的行星、恒星和星云。
1789年：48英寸，威廉·赫歇尔40英尺焦距望远镜配备的镜用合金反射镜是他建造过的最大一架。
图中的威廉·赫歇尔（右，图片提供：John G. Wolbach Library）正在他那著名的40英尺望远镜（左，图片提供：John G. Wolbach Library）目镜处工作。这架有着48英寸反射镜的40英尺焦距望远镜是赫歇尔建造的最大一架，但并非他的首选设备。赫歇尔在观测时会选择较小的18.7英寸口径、20英尺焦距望远镜。
靠着英王提供的200镑薪水和成功的反射镜制造产业的维持，赫歇尔本人带来了望远镜口径的爆发式增长。赫歇尔对制造望远镜的兴趣有着纯粹而持久的热情，并吸引了整个赫歇尔家族。他的妹妹卡罗林（Caroline，她凭借自己的能力成了天文学家）在1773年的一篇日记中抱怨道，住宅的每间屋子都成了车间。在威廉抛光反射镜的时候，她给他读书，并将食物一口口地喂到他嘴中，而他的兄弟亚历山大（Alexander）则去组装各式元件。
反射镜是由熔融的镜用合金铸造的，熔融合金先被倒入由砂和木炭制成的模具中（大型反射镜的模具则是由马粪压制而成的）。铸好后，每块盘片都由手工艰难抛光。为了克服由球面像差引起的变形，赫歇尔仔细地将他的反射镜修成抛物面型（只有抛物面镜才能将入射光线集中到单一的焦点上）。从1773年到1795年，赫歇尔制造了大约430块反射镜。以口径18.7英寸、长20英尺的反射镜为首的望远镜群使赫歇尔处在了一个令人羡慕的位置上，他可以看到世界上其他天文学家看不到的天体。
赫歇尔最为雄心勃勃的计划完成于1789年，这是一架史无前例的望远镜，焦距40英尺，口径48英寸。美国作家奥利弗·温德尔·霍姆斯（Oliver Wendell Holmes）这样回忆他初见这架望远镜时的情形：“它是个庞大而令人迷惑的东西，中央巨大的管子伸出倾斜的杆子、圆柱、梯子、粗绳……抬起的炮口傲慢地指向天空。”
尽管有着巨大的口径，这架40英尺焦距的望远镜却从未发挥出潜力。沉重的金属反射镜在自身重量的作用下发生了弯曲，而为了与夜间的冷空气达到平衡，往往需要花费几个小时的时间。除了少数几次例外，赫歇尔都选择了实用的20英尺焦距望远镜。因而，48英寸望远镜的各种问题也给希望超过它的未来野心家们敲响了警钟：对于那些有着专注的热心以及深深的钱袋的人，这条道路已经为他们预定了。
越大越好
1842年：72英寸，在半个多世纪的时间里，没有比罗斯（Rosse）伯爵的“帕森斯顿（Parsonstown）的列维坦（Leviathan）”更大的望远镜了。
第三代罗斯伯爵威廉·帕森斯（William Parsons）（右，图片提供：Birr Castle Archives / The Irish Picture Library）是列维坦（左，图片提供：Birr Castle Archives / The Irish Picture Library）背后的策划者。他的望远镜花费了3年时间建成，1842年间他花费了12000英镑。1845年2月开光之后，口径72英寸的“帕森斯顿的列维坦”成了世界上最大的望远镜。罗斯伯爵在他爱尔兰中部的领地上建起了这架庞大的望远镜。望远镜被安置在两面平行的砖石墙中间，这限制了它的视野，也只为每个天体留下了约1小时的观测时间。望远镜面朝南方安置，设计用于捕捉进入视场的“星云”。——引自乔治·钱伯斯（George Chambers）的《天文学叙述》（Descriptive Astronomy）（1867）
1840年代早期，当赫歇尔的48英寸镜筒（其镜片现已无存）被废弃并在地上逐渐腐蚀时，爱尔兰的第三代罗斯伯爵威廉·帕森斯着手建造世界上最大的反射望远镜。罗斯有着进行如此事业的一切先决条件：财富、空闲时间、工程知识，还有充足的劳力。他已花费了十多年的时间去试验镜用合金混合物（这种物质声名狼藉地易变形），并造出了一系列口径从6英寸到36英寸不等的反射镜。现在，他觉得可以开始向72英寸跃进了。
在1842年4月13日晚的星空下，3口大汽锅向一个铁模中倾倒了4吨熔融金属。30个人将红热的金属盘沿轨道拖向退火窑，金属盘在那里冷却了16周。之后，一台蒸汽驱动的机器将金属镜片缓慢磨成最终的抛物面，面型是由监控标度盘的形状决定的（译注：这里翻译可能不是很准确，原文是“determined by the image it formed of a watch dial”，不清楚罗斯伯爵具体采用的是什么方法，准确译法望多多指教）。就在安装前夕，反射镜破裂了。罗斯伯爵指挥了第二次铸镜工作，这次他成功了。为制造一面合适的备份镜，还要进行三次浇铸。
罗斯的望远镜被恰当地称作“帕森斯顿的列维坦”，无论是从视觉上还是从科学上来看，它都是可畏的。据观测者说，星象“完美而浑圆，没有什么额外的突出物或是闪烁”，而且距离近至0.5角秒的双星也可以被分辨出来。但这巨镜胜出在星云观测上，它所展现的是前所未有的清晰度。1845年4月，罗斯辨认出了“星云”（按现在的说法是旋涡星系）M51的旋涡结构。在一打以上的其他星云中也有类似的结构发现。
罗斯的望远镜还将很多星云分解成恒星，这使得某些天文学家作出了错误的结论，认为所有的星云本质上都是由恒星组成的。受爱尔兰气候条件的影响，这架巨镜的观测计划实际上在1870年代就停止了。1908年，望远镜被拆除，直到最近才被恢复起来。
上图：罗斯伯爵绘制了这张猎犬座M51（现在叫做旋涡星系）的草图。这张草图是通过巨镜的目镜所绘制的上百张图片之一。由于架台的关系，这架72英寸的望远镜从来没有装备摄影设备。（图片来源：The Scientific Papers of William Parsons, Third Earl of Rosse）
与罗斯同时，英国的长期观测者威廉·拉塞尔（William Lassell）建造了世界上最大的赤道式架台望远镜，它有着24英寸口径的镜用合金反射镜。拉塞尔用这架望远镜发现了海王星最大的卫星海卫一，还有天王星周围的卫星天卫一和天卫二。1851年秋，拉塞尔将这架24英寸望远镜从利物浦郊外的住宅搬到了气候更适合天文观测的地中海岛国马耳他。
1859年，拉塞尔的48英寸望远镜在利物浦开光，它在1861年首度观测了马耳他的天空。这架望远镜也有着叉式赤道架台，极轴用手动曲柄控制。在1865年返回英格兰之前，拉塞尔记录下了600个从未见过的星云，之后他使用更加便于控制的24英寸望远镜继续进行观测。48英寸的那架则一直被保存在库房中，并在1880年拉塞尔死前不久被当作废品卖掉。
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