美國西南部重要觀測基地概覽（二）

□ 弗吉尼亞大學(xué)天文系 孫 萌

美國西南部重要觀測基地概覽（二）

□ 弗吉尼亞大學(xué)天文系 孫 萌

圖1 晨光里的大雙筒望遠(yuǎn)鏡（圖片來源：LBT天文臺）

在結(jié)束了勞累卻又興奮的第一天參觀行程后（參見《天文愛好者》第三期），我們第二天一大早就離開了亞利桑那的圖森市，前往位于格拉漢姆山的LBT大型雙筒望遠(yuǎn)鏡天文臺（Large Binocular Telescope Observatory）。

和之前去基特峰的路上差不多，我們一路的景色依舊是漫無邊際的沙漠，但這些地質(zhì)構(gòu)造還是很有意思的。

2 在US-191公路上遙望格拉漢姆山

在沙漠中的高速上走了一個(gè)多小時(shí)，我們的左側(cè)出現(xiàn)了群山（如圖2）。我們又繼續(xù)前行了一個(gè)多小時(shí)，卻始終感覺還在圍著這群山轉(zhuǎn)，可見這山的規(guī)模還是很大的（有興趣的讀者可以在google地圖上搜Mount Graham）。后來我才意識到，大名鼎鼎的LBT大型雙筒望遠(yuǎn)鏡天文臺就在這群山的某個(gè)山頭上。雖然山下一片晴朗，但山頂上卻是另一番天地。細(xì)看圖2，山頂上似乎堆滿了厚云，登頂后也確實(shí)如此，山上居然有些陰天。遠(yuǎn)看這些山，感覺沒什么大不了，但登頂以后隨之而來的輕微高原反應(yīng)，使我意識到了海拔3300多米也不是鬧著玩的。

小插曲：

在上山之前，我們需要在山下的一個(gè)監(jiān)察基地拿松鼠許可證（squirrel permit）。大概是要發(fā)誓自己不會(huì)獵殺格拉漢姆山上的紅松鼠，遇到松鼠尸體要報(bào)告等瑣碎事宜。在之前的觀測課上，教授已經(jīng)和我們提到過這點(diǎn)，因?yàn)榧t松鼠是這個(gè)州的保護(hù)動(dòng)物，想上山?jīng)]有許可證是不行的?？傊?，每當(dāng)一群天文學(xué)家想找塊地方建個(gè)觀測基地，即便是選好了址、找來了資金，也沒那么容易說蓋就蓋?？傆幸恍┥袢藭?huì)半路跳出，說我們破壞環(huán)境或是占了他家祖墳之類，輕則交錢了事，重則另外選址，還真讓人唏噓不已。教授在課上也給我們講過一件趣事，就是我們系另外一個(gè)教授在美國國家光學(xué)天文臺（NOAO）做博士后的時(shí)候，有一項(xiàng)工作是數(shù)天文臺松樹底下的松果個(gè)數(shù)。因?yàn)榈胤奖Ｗo(hù)組織想以此監(jiān)測松鼠的數(shù)量，如果松果少了即證明松鼠少了，那么天文學(xué)家大概又要挨罰了。好在最后事件的結(jié)果是松鼠的數(shù)量在天文學(xué)家到來之后反而增多了，于是皆大歡喜。在美國，除個(gè)別極其繁華的大城市，松鼠在城市及鄉(xiāng)村基本隨處可見，所以我們對地方保護(hù)組織的行為持保留意見。圖3即為簽松鼠許可證的地方。

直到中午我們才臨近目的地，我們在格拉漢姆山腳下的小鎮(zhèn)上吃了個(gè)快餐并且買了晚飯帶上山。

3 領(lǐng)取松鼠許可證的營地

4 在VATT圓頂外的教授和同學(xué)們

雖然是坐車，但我們的上山之路并不輕松，都是蜿蜒的道路，快到山頂時(shí)是石子土路，非常顛簸。再加上勞累與輕微的高原反應(yīng)，想不暈車都難，好在我一路和同學(xué)侃了過來，分散了些注意力，才沒有拖組織的后腿。

到了山頂，頓時(shí)把我凍得夠嗆，山頂上到處可見積雪、松葉林，沙漠的蹤跡早已不見，可見海拔的威力。我們先是躲到LBT的建筑里，直到接待我們的工作人員來了，才開始參觀第一個(gè)圓頂——梵蒂岡高新技術(shù)望遠(yuǎn)鏡（Vatican Advanced Technology Telescope，簡稱VATT，圖4）。

圖5 VATT

VATT是一個(gè)1.8米的小鏡子。細(xì)心的讀者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，VATT里的這個(gè)“V”是Vatican，即梵蒂岡，以宗教聞名的小國。而VATT也是隸屬于梵蒂岡天文臺（Vatican Observatory），它成立于1891年，最初用于制定歷法。時(shí)至今日，這個(gè)有些年頭的天文學(xué)研究組織已由亞利桑那大學(xué)的斯圖爾德天文臺代管了。

VATT的光路是格里高利式，焦比f/1.0，所以看起來就是一個(gè)矮胖的立方體，頗為可愛，如圖5。當(dāng)然，這樣的設(shè)計(jì)也進(jìn)一步節(jié)省了空間，比起前幾代的望遠(yuǎn)鏡，VATT的體積要小了三倍。VATT的主鏡也是前一天我們參觀的鏡面實(shí)驗(yàn)室制造的，和口徑大至8.4米的LBT主鏡一樣，VATT在制造時(shí)也采用了旋轉(zhuǎn)筑鏡法以及先進(jìn)的打磨方法。VATT采用地平式坐標(biāo)系統(tǒng)，再加上先前的短焦比，所以這個(gè)望遠(yuǎn)鏡的占地面積很小。從外面看VATT的圓頂和控制室，一開始我根本沒意識到這是個(gè)1.8米的鏡子，因?yàn)槠鋱A頂和中學(xué)教學(xué)用圓頂體積相當(dāng)。這樣緊湊而堅(jiān)固的設(shè)計(jì)也使得即便是把望遠(yuǎn)鏡放到大風(fēng)中，鏡子主體也會(huì)很穩(wěn)定，天文學(xué)家用其切換到不同觀測目標(biāo)的速度也更快。圓頂小的優(yōu)勢一方面是節(jié)省建造資金，另一方面是使得圓頂內(nèi)外的溫度在打開圓頂之后能盡快達(dá)到平衡，以改善圓頂視寧度。此前，由于技術(shù)原因，天文學(xué)家們無法造出焦比很短的鏡子，因?yàn)檫@意味著主鏡的曲率會(huì)相對較大，很容易造成像差。后來隨著技術(shù)發(fā)展，鏡面實(shí)驗(yàn)室開始制造這種短焦比的鏡子。

VATT的控制室、生活區(qū)，與圓頂里是隔熱的，這是防止空氣冷熱不平衡而造成湍流影響像質(zhì)。值得一提的是，VATT的生活區(qū)也相對奢華，好似就在自己家的樓頂裝了一個(gè)觀天利器，生活氣息非常濃厚。

出了VATT，我們的下一站是亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（Submillimeter Telescope，簡稱SMT）。雖說兩個(gè)圓頂相距不遠(yuǎn)，但是走著走著我便氣喘吁吁，這是高原缺氧的結(jié)果。我們系隔壁就是美國國家射電天文臺，所以之前也參觀過100米的單口徑綠堤射電望遠(yuǎn)鏡(Green Bank Telescope，簡稱GBT)，所以大家對于射電以及亞毫米波段都不算太陌生。SMT建于1993年，口徑10米，f/0.35，隸屬于亞利桑那射電天文臺（圖6）。

SMT有四個(gè)接收器，觀測波段分別為：215~280吉赫（GHz）、320~370吉赫、420~500吉赫和602~720吉赫。接收器可接收兩個(gè)方向的偏振光。亞毫米波段處于微波和紅外波段之間。制造亞毫米波望遠(yuǎn)鏡時(shí)，天文學(xué)家對鏡面的精度要求比射電望遠(yuǎn)鏡要高。后面我將會(huì)寫到，在參觀甚大陣（VLA）時(shí)，我們是可以爬上望遠(yuǎn)鏡鏡面亂走的，但是亞毫米波望遠(yuǎn)鏡則是斷然不可的。亞毫米波望遠(yuǎn)鏡觀測選址也更嚴(yán)格，要求干燥、遠(yuǎn)離城市。在全世界，亞毫米波望遠(yuǎn)鏡的理想觀測基地也就幾處，分別是：夏威夷的莫納克亞山，智利的拉諾德查南托天文臺（Llano de Chajnantor Observatory，就是ALMA所在地），南極和印度靠近喜馬拉雅山的一塊地方。天文學(xué)家主要用亞毫米波段觀測分子云、暗云以研究恒星形成過程。

SMT全年工作9~10個(gè)月，在非常濕潤的季節(jié)，射電天文學(xué)家們會(huì)把望遠(yuǎn)鏡收起來，暫時(shí)不用，這是因?yàn)榇髿庵械乃魵馕諑?huì)落在這個(gè)波段。理論上來說，SMT也應(yīng)該可以在白天觀測，但不知什么原因，我們參觀的時(shí)候，SMT沒有觀測，只是值班室一直有人。

SMT的圓頂分為兩部分，上面的部分可以轉(zhuǎn)。工作人員在我們到來后，轉(zhuǎn)了圓頂，打開了天窗（如圖7），讓我有一種坐船的感覺，當(dāng)然我的另一個(gè)感覺還是冷……

終于到了參觀LBT的時(shí)刻了，這是我長這么大以來見過的最大口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。LBT建筑里面，一進(jìn)門是個(gè)小型展覽區(qū)，里面有制造LBT的玻璃原料（圖8）。

前面提到過，LBT也出產(chǎn)于斯圖爾德天文臺鏡面實(shí)驗(yàn)室。我手里拿的這塊毛坯玻璃是一塊重為1.5磅的樣品。制造LBT其中之一的8.4米主鏡，要消耗40000磅玻璃。當(dāng)玻璃被加熱到1180℃時(shí)，熔融玻璃的黏度就和冷蜂蜜的黏度差不多了，方便鑄造。

展覽室里還有幾塊展板是說這里曾經(jīng)發(fā)生過嚴(yán)重山火。2004年，格拉漢姆山上曾因閃電引起過兩場山火，破壞力較強(qiáng)。我們在上山的路上也看到了山火遺跡，即大片燒黑的枯枝橫倒在山路兩旁。當(dāng)時(shí)由于是旱季，所以山火蔓延得很快，一個(gè)月之后火勢才被控制下來，這要?dú)w功于900多個(gè)參與救火的消防員們。這其中的一支隊(duì)伍，還是當(dāng)年救援過9·11、哥倫比亞號航天飛機(jī)失事的著名隊(duì)伍。幸運(yùn)的是，山上的主要儀器都在這場山火中幸存了下來。

6 SMT

7 “開窗”后的SMT

8 制作LBT主鏡的原材料

9 LBT外景

10 用于旋轉(zhuǎn)LBT的巨型輪子

11 LBT內(nèi)部的圓形走道

容納LBT的建筑分為兩部分（圖9），上面白色的部分有幾層樓高，可旋轉(zhuǎn)。這棟可旋轉(zhuǎn)的建筑和傳統(tǒng)可旋轉(zhuǎn)圓頂不同，因?yàn)榘咨糠衷谵D(zhuǎn)的時(shí)候，里面的望遠(yuǎn)鏡也是跟著一起轉(zhuǎn)的。所以調(diào)節(jié)方位角，需要轉(zhuǎn)建筑，調(diào)節(jié)高度角才需要轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡。這樣制造也可以節(jié)省空間，因?yàn)橹恍枰舫鲆粋€(gè)方向的空間保證可調(diào)節(jié)高度角即可。此外，LBT建筑上面的白色部分也不可朝一個(gè)方向無限制的旋轉(zhuǎn)，因?yàn)檫@樣兩部分之間的各種數(shù)據(jù)線、電線會(huì)被破壞。

我們先是在LBT下面綠色的部分(圖9)聽工作人員講解，然后看到了用于旋轉(zhuǎn)LBT的巨型輪子（圖10）和接在終端的光譜儀等設(shè)備。巨型輪子的那一層空間里，有些設(shè)施被漆上了藍(lán)色。被漆成藍(lán)色的設(shè)施是在旋轉(zhuǎn)圓頂和望遠(yuǎn)鏡時(shí)要格外注意的，即人有可能被轉(zhuǎn)來的儀器打到。如果有人不慎在旋轉(zhuǎn)圓頂時(shí)處在巨型輪子的那一層，那一定要保證自己處于安全地帶，要遠(yuǎn)離漆成藍(lán)色的物體。這也是吸取了當(dāng)時(shí)梅奧爾圓頂曾經(jīng)夾死過人的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

為防止建筑旋轉(zhuǎn)過后，內(nèi)外層位置改變（走廊內(nèi)側(cè)不轉(zhuǎn)，外側(cè)隨著圓頂轉(zhuǎn)動(dòng)），人走在圓形通道里找不到門，所以LBT里的旋轉(zhuǎn)走道都是貼了這種引導(dǎo)線的（圖11）。沿著線升高的方向走，就能找到這個(gè)過道的出口。