高难度副本任务挑战：DIY磨制镜片，看清木星上的云层

　　近日央视的一则新闻引得很多人点赞：福建一位50岁的颜明哲从小是个天文迷，他将一块直径24cm的玻璃，手工打磨成了精度极高的牛顿式反射望远镜镜面，并自制刀口仪和跟踪器，用他自制的望远镜能将木星上的云层拍得清清楚楚。

　　新闻视频中介绍说，颜先生现有二十多年的机械加工经验，出于自身的兴趣爱好，以及想把光学和机械知识进行实际运用的想法，开始了自己手工打磨加工牛顿式反射望远镜镜面的历程。他选择了一块直径24cm的玻璃，打磨的牛顿式反射望远镜的主反射镜形状选择了抛物面而不是球面，花了近一个月才磨制成功。颜先生有着丰富的机械加工经验，他还根据刀口仪的原理（刀口仪是用来检验光学零件或光学系统质量的仪器），不但自制了一个刀口仪来检验自己手工打磨的镜面的精度，还自制了一个跟踪器（也称赤道仪，是天文望远镜为了抵消地球自转对天体观测的影响，使目标天体在望远镜视场中始终保持相对静止的一种装置），并且用这个DIY的镜面组装成望远镜，能够看清木星上的云层。这事到底有多牛呢？

　　牛顿式反射望远镜

　　光学天文望远镜可以分为两类：折射式和反射式，折射式的原理是光线折射透过多个镜片后成像，反射式的原理是光学经过多次镜面反射后成像，像常见的双筒望远镜是折射式望远镜，而大口径的地面光学天文望远镜（例如夏威夷的直径10m的Keck望远镜）多是反射式望远镜。

　　牛顿式反射望远镜是第一种制作成功的反射望远镜，它的主镜反射面一般是球面或抛物面，其光路图如下：

　　牛顿式反射望远镜的光路原理

　　牛顿式反射望远镜由于主镜面加工起来相对简单，通常为业余天文爱好者DIY的首选。

　　如何才能看清木星上的云层

　　木星，英文名称Jupiter，中国古代俗称岁星、太岁，是太阳系内最大的行星，它有着浓厚的大气层，表面有红、褐、白等色彩缤纷的与木星赤道大体平行的条纹图案，最宽的条纹宽度和木星上著名的大红斑的尺度差不多（约4万千米），木星的直径约14.3万千米（赤道附近）。

　　木星上的条纹和大红斑

　　木星绕太阳公转的轨道半长轴是5.2个天文单位，地球距离太阳约1个天文单位，木星距离地球最近时（木星冲日前后，2017年木星冲日是在4月8日）大约是4.2个天文单位（1AU=1.496×108km，4.2AU=6.28×108km）。

　　木星冲日时，木星与地球距离最近，从地球上看木星显得最大最亮，其视直径可以达到约47角秒，而此时木星上最宽的条纹的视角直径也可以达到13角秒（根据弧度公式L/r计算得出，式中是在地球上看木星或木星上条纹的视角直径，L是木星或木星上条纹的尺度大小，r是地球和木星的距离）。

　　因此，如果想要看清木星上的条纹，使用天文望远镜观测木星时的极限分辨率一定要在13角秒以下。根据光学知识，望远镜的极限分辨率q可以用以下公式表示

q=1.22×l/D

　　式中l是光的波长，D是望远镜的口径。我们知道，太阳辐射的峰值在可见光波段，其峰值波长约为500nm，并将颜先生自制望远镜的口径0.24m代入公式计算可知，颜先生自制的24cm望远镜的极限分辨率大约是0.5角秒，小于13角秒，能够满足看清木星上的云层的要求。

　　但是，事实并没有这么简单。如果根据上面的望远镜的极限分辨率公式，我国云南天文台位于丽江高美古的2.4m口径光学天文望远镜的极限分辨率是0.05角秒，然而在地球上所有的天文台台址，用光学望远镜观测遥远天体（可视为点状源）所成星像的实际角直径也远超过了0.05角秒，这是因为地球上有大气，大气的抖动、湍流会使得星像变大，这种抖动、湍流对像木星这样的面源天体的影响更大。

　　天文学中常用来描述大气抖动、湍流的一个参数是视宁度（Seeing），表示地球大气对光学成像的影响程度，星像越清晰（星像视直径越小）就说明视宁度越好，大气抖动、湍流小，星像越模糊发散（星像视直径越大）就说明视宁度越差，大气抖动大、湍流剧烈。在不使用主动光学技术和自适应光学技术的前提下，地球上最好的天文台台址的Seeing在最理想的大气条件下也只能达到0.4角秒左右（例如在Hawaii的Mauna Kea）。

　　考虑到视宁度因素，从地球上要分辨清木星上的大红斑和最宽的木星条纹（大红斑的尺度和木星条纹的宽度大致相当），至少需要使用口径在12cm以上的望远镜才行，而颜先生的自制牛顿式反射望远镜是符合这一要求的。

　　望远镜DIY很难吗？

　　以颜先生的经历来看，说困难也困难，说简单也简单。颜先生是一个资深的天文发烧友，打小就喜好天文，且拥有二十几年的机械加工经验，动手能力强，还会从天文爱好者的论坛上获取所需的天文、光学、机械、电子等知识，并且选择的镜面形状是抛物面，是二次曲面，相对简单一些（比球面加工起来复杂些，但是和Schimdt望远镜的四次曲面形状的改正镜的加工难度相比，完全就是小儿科了）。颜先生并不是一个独特的个例，很多天文爱好者实际上也具备进行磨制小型望远镜镜片的DIY能力，这些镜片的直径一般在五六十厘米以下，业余天文爱好者对于尺寸更大的镜片加工就无能为力了。

　　但对于一般人而言，如果没有必需的知识储备、丰富的动手操作经验和坚持不懈的毅力，天文望远镜镜面DIY这种精细活还是只适合静静地看着就好啦。另外，友情提示，4月11日凌晨，天空将上演“木星合月”的天象，木星会运行到与月球较近的天区，木星在天空的位置距离月球最近时仅有2°。如果你不巧错过了前几日的“木星冲日”，现在千万别再错过“木星合月”了。

本文由中国科学院国家天文台研究员郑永春进行科学性把关