研究天體的工具-望遠鏡

天體向四面八方放出的光線充斥在太空之中，經過了遙遠的距離到達地球時強度已經非常微弱。任一瞬間天體發出的訊號分佈在一個球面上向外傳遞，距離愈遠球面愈大，在同樣面積上的能量便愈小。天文學家的任務就是收集這些微弱的訊號加以分析，並且進一步用來研究天體、天象，而望遠鏡就是用來收集訊號的基本工具。想像一下我們在雨天時，在戶外放一個水桶收集雨水，我們一定會確定桶口不被擋住（例如避免在大樹下或屋簷下），免得影響收集的雨量，同時我們會盡量用一個張口大的水桶，以便在短時間內收集到足夠的雨水。基於同樣的道理，當我們收集天外來的電波時，我們就應該將望遠鏡放在訊號最不會被擋住的地方，並且讓訊號落在最大的收集面上。

我們眼睛看到的光是電磁波的一種，稱做可見光。電磁波依波長由長至短（或頻率由低至高）分為（無線）電波、紅外、可見光、紫外、X 射線、gamma 射線等。波長由數百公尺到$< 10^{-10}$公尺。可見光只包括了波長在 $4\times 10^{-7}$--$7\times 10^{-7}$公尺（4000--7000\AA），其中極微小的一段。波長愈短，電磁波的能量愈高。

不同的天體或物理過程會發出不同波段的電磁波，因此要在多個不同波段觀測才能有完整的瞭解。包覆在地表外面的大氣層造成了多采多姿的氣候變遷，但同時也擋住了絕大部份來自天外的電磁波（我們因此免於一些高能量輻射的侵害）。除此之外，大氣也對觀測天體造成另外一種阻礙，那就是造成星體影像的模糊。在晴天時觀看游泳池底，可以發現當池水晃動時，池底會出現移動的明暗條紋，此乃因為水面的高低波動有如不同的放大鏡聚光的效果。大氣對於來自天外的訊號有相同的效應，使得來自同一個方向的訊號有上下左右晃動、或明暗變化的現象。這就是為什麼遙遠的恆星應該看起來是個無限小的點，但是透過大氣卻變得有一定的大小，並且使得星星看起來「一閃一閃亮晶晶」。由此之故，天文台多半建在高海拔的地方，以減少大氣的干擾。

除了大氣以外，人類文明也製造了一些影響觀測的因素，像是廢氣、煙霧、以及光害。故在可見光波段觀測應該找光害少的地方，而電波望遠鏡的所在則最好避開人為無線電訊號（電視、廣波、通訊）的干擾。將望遠鏡置於太空中是減少各種干擾最好的辦法，但是花費昂貴，技術上亦較困難，因此目前地面上最大的望遠鏡的口徑仍舊比送上太空的大得多。預計到廿一世紀，除了置入太空軌道以外，也會將望遠鏡放在如月球表面等適合觀測的地方。

望遠鏡的另一個主要功能就是讓影像比較清晰；口徑愈大的望遠鏡其分辨影像細節的能力也愈強。也就是說，望遠鏡愈大不但可以觀測比較暗的天體，也讓我們看的比較清楚。望遠鏡利用光學的原理把來自遠方的光線聚集在一起。聚光的方式分成兩種，一種像放大鏡一樣利用鏡片聚光，也就是入射的光線經過玻璃等透明的物質時，由於折射達到聚光的效果，這種望遠鏡稱為折射式望遠鏡，一般常用的雙筒、單筒望遠鏡都屬於此類。另外一種聚光方式是利用彎曲的鏡面反射使光線聚在一起，這種望遠鏡稱做反射式望遠鏡。雖然兩種方式都能達到聚光的效果，但是折射式的設計因為光線需要透過鏡片，因此整個鏡片必須完美，同時也只能在鏡片的邊緣支撐。對於大於一公尺左右的鏡片來說，因為支撐不易，鏡片本身的重量會造成變形，影響成像品質。相對的反射式望遠鏡因為利用表面反射達到聚光的效果，因此只需要反射面完美即可，得以利用整個背面支撐製造大型的鏡面，同時可以設計光線在同樣的區域來回反射，達到縮短鏡身、節省經費的效果。現代的大型望遠鏡全都是利用反射原理聚光。

日常生活中拍照的經驗是在光線微弱的狀況下需要加長曝光的時間。為了記錄天體微弱的訊號，天文學家需要能夠長時間收集訊號的設備。值得一提的是，人的眼睛並不是長時間曝光便能累積訊號的，我們剛由光亮的環境走進黑暗的地方瞳孔需要一段時間放大，感光細胞做調整才能在暗處看到東西，但是在最好的情形下（完全適應黑暗的瞳孔、沒有光害的環境）肉眼最暗只能看到約六等星，瞪了再久也還是只能看到六等星。底片就不一樣了：一點一點的光造成的化學變化可以累積記錄起來，加長曝光時間就能讓我們看到比較暗的東西。除了眼睛、底片，現代的天文觀測也利用電子偵測器。日常生活中這些偵測器到處可見，例如我們隨身攜帶的攝影機，另如商店自動門、廁所的感應沖水設備都是利用感應光線轉換成電子訊號的例子。其他偵測器的例子是收音機或電視，這些是收集電波訊號的工具。天文學家把電子偵測器取代人眼接收來自望遠鏡的訊號，這些偵測器的靈敏度比底片好上幾十倍，能有效地收集微弱的訊號。

觀測是探討宇宙奧秘的重要手段，而成功的觀測要件是大口徑的望遠鏡、靈敏的偵測儀器，以及良好的觀測地點。現代的天文台也都朝這些方向努力。科技的發展使得望遠鏡口徑愈來愈大，但是相對體積卻愈來愈小、操控愈發靈活；另一方面不同偵測材料讓望遠鏡能探測到更暗的天體。小型望遠鏡通常就近設置以方便使用，但是中、大型望遠鏡往往透過國際合作共同製造、管理，置放在世界上最好的地點，像是美國夏威夷島上的天文台，由於觀測條件優良，置放了許多國家的望遠鏡，包括目前最大口徑的兩個十米望遠鏡。除了地面上的望遠鏡，科學家也把觀測儀器放到太空中。有些飛往太陽系其他的天體，像是載人前往月球的{\sf 阿波羅}系列、探測外行星的航海家太空船，還有飛往彗星、甚至研究太陽的太空任務等等，不一而足。環繞地球的哈柏太空望遠鏡(口徑 2.4 米）以其清晰的視力，是人類瞭解宇宙奧秘極有價值的工具。