第四章 光学望远镜观测
第一节 太阳系天文视野的扩大
自1609年伽利略制成第一架光学天文望远镜使天文观测进入望远镜时代以来，由于取代人眼瞳孔的望远镜物镜越做越大，观测的灵敏度和分辨率不断提高，相应的天文视野也随之迅速扩大。这表现在太阳系内，人们不仅能发现更遥远的新天体，而且还能对早已看到的天体分辨得更清楚。下面着重从发现新天体方面加以说明。
由于目视天文观测视野的限制，在很长的时期内人们只能看到水星、金星、火星、木星和土星这5大行星；如果再把日心说认定的地球也包括在内，则共有6大行星。1766年，提丢斯（J．D．Titius）提出这些行星到太阳的距离可用一个有趣的级数表示；1772年这一级数经波得（J．E．Bode）整理后的形式可表示为：
an＝0.4＋0.3×2n-2（天文单位） （4．1）
式中n取-∞，2，3，4，6，7等值时的an依次代表水星、金星、地球、火星、木星和土星至太阳的距离。在这个完全由经验确定下来的提丢斯-波得定则中，n的取值在中间缺少5，在7以后缺少大于等于8的整数值。是否在这些缺值所对应的距离上也存在其它行星而肉眼看不见呢？事实果然如此！1781年，赫歇耳（William Herschel）用数百倍放大率的望远镜观测，在n＝8的距离上发现了天王星。1801年，意大利的皮亚齐（G．Piazz）在n＝5的平均距离上发现了第一颗小行星——谷神星。接着的望远镜观测进一步表明，在n＝5的距离上，没有大行星，而有很多小行星。它们共同组成了处于火星轨道和木星轨道之间的小行星带，而谷神星则是其中直径较大的一颗小行星。
天王星被发现后，人们在监视观测中进一步看到它的运动具有某种不规则性。一些天文学家猜想这可能是天王星受到轨道外某一未知行星的摄动作用所致。亚当斯（J．C．Adams）和勒威耶（Urbain Le Verrier）相继在1845年和1846年推算出这颗未知行星的轨道和视位置。1846年9月，伽勒（J．G．Calle）根据勒威耶提供的位置果然发现了这颗未知行星——海王星。而太阳系的第9颗行星——冥王星，则直到1930年才由汤博发现。汤博是用一架12英寸望远镜从天空中 2000万颗其它同样亮或更亮的天体中好不容易才发现它的。冥王星离太阳的平均距离接近40天文单位，约为土星离太阳平均距离的4倍。这显然大大扩展了太阳系的疆界。
上述太阳到地球的平均距离（日地距离）是很重要的天文标尺。在开普勒定律中还只是把这个距离当作一个天文单位，并不知道它的绝对长度。而要在地球上直接测量地球与太阳的距离是很难的。因为按传统的三角测量法，要测量某个可望而不可及的目标（如天体）的距离，只能在一条已知长度的基线两端分别测量该目标所在方向与基线方向的夹角，进而求出该目标相对于该基线的张角。这个张角在天文学上称为视差。显然，在基线长度固定的情况下，目标愈遥远，则相应的视差就愈小。太阳离地球虽不算远，但它是一个角直径超过半度的延伸面源，不能看作点源；特别是太阳发出的强烈光辉不但使人难以对它进行直接测量，而且完全“淹没”了周围的星光，这就不能找到确定太阳方位的参照物，因而也就不能直接测量太阳的视差。
最先用间接方法测量太阳距离的工作是法国天文学家卡西尼（G．D。Cassini）等于公元1673年完成的。他们在太阳、地球和火星几乎处于一条直线上时，从地球上长达6000km的基线两端，首先测出火星的视差，接着根据开普勒第三定律再求出太阳的视差，最后得到太阳到地球的距离竟达1.4×108km的意外“远”的结果。实际上，它比现代测定的日地距离值还少1×107km。土星是当时已知的最远行星，太阳到土星的距离是日地距离的9.5倍，即土星绕太阳公转的轨道直径肯定超过26亿km。这就是从古希腊直到17世纪最后25年的天文学家能够精确测定的“最大”宇宙体系——太阳系。而随着冥王星的发现，这个能精确测定的太阳系疆界又扩大了4倍。可见光学望远镜在扩大太阳系天文视野方面也做出了突破性贡献。