望向深空的“大眼睛”

梁其恒

這個(gè)巨型地面光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡，將于2024年迎接“人生”中的第一束光，借此或許能解開(kāi)生命及宇宙起源之謎。

望向深太空的強(qiáng)力新“眼睛”

2000年，歐洲天文學(xué)家希望能更清楚地看到最遙遠(yuǎn)的星系，但在操作一些大型望遠(yuǎn)鏡的時(shí)候，比如加那利大型望遠(yuǎn)鏡（位于大西洋加那利群島）或者甚大望遠(yuǎn)鏡（位于智利帕拉那山），它們能夠識(shí)別宇宙中遙遠(yuǎn)的點(diǎn)（天體），卻無(wú)法揭示其細(xì)節(jié)。所以，歐洲南方天文臺(tái)（ESO）理事會(huì)提出了一個(gè)全球性的項(xiàng)目——?dú)W洲極大望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目（E-ELT），這個(gè)項(xiàng)目預(yù)計(jì)最終的耗資約為10億美元，于2024年投入使用。

西蒙·莫里斯是英國(guó)杜漢姆大學(xué)的物理學(xué)教授，也是ESO理事會(huì)的英國(guó)天文學(xué)家代表。他一直對(duì)第一代星系的形成非常感興趣。他認(rèn)為借助E-ELT，人們可以看到遠(yuǎn)處的太空正從中性狀態(tài)變?yōu)殡婋x狀態(tài)，而在這一時(shí)期形成的物質(zhì)，基本上構(gòu)成了宇宙。

在這時(shí)候，一些星系正在形成，目前的大型天文望遠(yuǎn)鏡只能勉強(qiáng)檢測(cè)到它們，幾乎不能進(jìn)行光譜檢測(cè)。

而利用未來(lái)的E-ELT，人們將能夠用更清晰視野觀望遙遠(yuǎn)的宇宙，它有能力看到大爆炸之后約10億年的光。它可關(guān)注宇宙的第一代星系在“宇宙時(shí)間表”中是如何演變和轉(zhuǎn)換的。人們將有機(jī)會(huì)研究宇宙中心的古代組成要素：原始的恒星、行星和黑洞，以及天文學(xué)中另一具有強(qiáng)大吸引力的神秘領(lǐng)域：太陽(yáng)系外行星。

也許，E-ELT還能幫助科學(xué)家尋找和地球相似的星球（有可能適合人類(lèi)生存的類(lèi)地行星）。

捕捉遙遠(yuǎn)“古宇宙”的光信息

E-ELT將建在智利北部的一座被稱(chēng)為阿瑪索內(nèi)斯山的山上，這里擁有高晴空率，使其成為凝視星星的理想位置。

人們已經(jīng)進(jìn)行了第一階段的施工。2014年6月實(shí)施山體爆炸，帶走阿瑪索內(nèi)斯山的數(shù)百萬(wàn)顆碎巖石，將山的高度降低了40米，因此，你最終將看到E-ELT坐落于海拔3060米的山上。

那么，E-ELT如何以前所未聞的清晰度捕捉遙遠(yuǎn)年代的宇宙呢？那就要從它的組成構(gòu)造說(shuō)起了。E-ELT的光學(xué)系統(tǒng)由獨(dú)創(chuàng)的5個(gè)鏡面組成。巨大的主鏡直徑達(dá)39.3米，由798個(gè)六邊形鏡面組成；二次反射鏡寬4.2米，三次反射鏡也有3.75米寬，另外兩個(gè)鏡面是用來(lái)消除大氣湍流的影響。

E-ELT捕獲的光線，相當(dāng)于地球上所有其他8～10米大的天文望遠(yuǎn)鏡的光線量的總和，是人類(lèi)眼睛捕獲量的1億倍，清晰度是人眼的億萬(wàn)倍。因此，它能“看清”遙遠(yuǎn)宇宙中黑暗的天體（“暗”并不代表天體距離地球較遠(yuǎn)，例如行星通常會(huì)比恒星暗些。但在大多數(shù)情況下，光線較少幾乎總是說(shuō)明天體距離地球相當(dāng)遠(yuǎn)）。

望遠(yuǎn)鏡主鏡的大小最初是設(shè)定為42米，后來(lái)為了降低項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)預(yù)算，又將主鏡直徑減到39.3米。這看似微小的2.7米調(diào)整會(huì)對(duì)E-ELT的能力產(chǎn)生影響嗎？

由于角分辨與主反射鏡的直徑呈線性減小，所以這一微小的調(diào)整對(duì)宇宙的細(xì)節(jié)觀察影響不大。然而，直徑的減少代表著鏡面面積的減少，使望遠(yuǎn)鏡的靈敏度產(chǎn)生了很大的差異——收集光子的數(shù)目減少了，可能難以直接觀察太陽(yáng)系外行星。然而，它仍然比其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更敏感，能提供至關(guān)重要的早期宇宙光學(xué)信息。

天空之眼的神奇鏡像系統(tǒng)

通過(guò)5個(gè)鏡面，天文學(xué)家們能夠以無(wú)比精細(xì)的角尺度觀察大部分天空：以10角分的尺度（角分是角度的度量單位，1度=60角分=3600角秒）。對(duì)于一臺(tái)直徑長(zhǎng)39.3米的望遠(yuǎn)鏡，這是令人難以置信的視覺(jué)范圍了。而E-ELT將在微角秒的尺度上測(cè)量圖像（微角秒是角秒的100萬(wàn)分之一），所以極其微小的角度都能被它探測(cè)到。

若想看到宇宙的深遠(yuǎn)之處，還要面對(duì)一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)，即“大氣湍流”的干擾。在地球大氣層湍流的遮蔽下，“天空之眼”采集到的圖像會(huì)變得模糊。不過(guò)E-ELT的反射鏡卻能自動(dòng)消除這種干擾。因?yàn)樵谶@5個(gè)鏡面中，其中直徑2.5米的四次反射鏡會(huì)“變形”，它是一種特殊的自適應(yīng)反射鏡，由5000多個(gè)執(zhí)行器控制，能以大約每秒1000次的速率變化。五次反射鏡也能通過(guò)四次反射鏡的調(diào)整而產(chǎn)生相應(yīng)的變化。憑借四次和五次這兩面反射鏡的自動(dòng)調(diào)整，能修正由地球大氣層引發(fā)的扭曲現(xiàn)象，提高E-ELT的觀測(cè)能力。由此，E-ELT獲得了比哈勃望遠(yuǎn)鏡更強(qiáng)的觀測(cè)能力，成像分辨率是后者的16倍。

由于并不是每個(gè)研究區(qū)域里的星星都有足夠的光線，E-ELT還會(huì)使用激光導(dǎo)向系統(tǒng)，向觀察對(duì)象發(fā)射光束，這些“人造光條件”將為遙遠(yuǎn)黑暗天體提供更完美的研究條件。

高端技術(shù)和挑戰(zhàn)

E-ELT可不僅僅只有一套獨(dú)特的鏡像系統(tǒng)，它身上還配備了大量的其他精密儀器，而且隨著時(shí)間的推移，它研究宇宙的能力會(huì)越來(lái)越強(qiáng)。

成員國(guó)之一的英國(guó)提供了非常重要的天文設(shè)備：MOSAIC多天體光譜儀和 HARMONI 近紅外光譜儀。這兩個(gè)主力工具保證了E-ELT能在2024年捕獲第一道光束。MOSAIC多天體光譜儀是由法國(guó)和荷蘭合作設(shè)計(jì)的，專(zhuān)門(mén)為E-ELT那樣的大型望遠(yuǎn)鏡服務(wù)。它可以將光源分離，并測(cè)量電磁輻射的波長(zhǎng)，觀測(cè)太空中某一物體發(fā)射和圍繞在其四周的光的光譜。

還有牛津大學(xué)研發(fā)的成本約7000萬(wàn)美元的HARMONI近紅外光譜儀，用來(lái)測(cè)量天體的冷大氣層——同時(shí)也是形成新分子的位置。通過(guò)研究分子的旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)，天文學(xué)家們將更好理解天體的性質(zhì)。HARMONI近紅外光譜儀具有一個(gè)重要的特征：低溫。它是一臺(tái)約4米高的低溫儀器。由于任何元件的熱量都有可能產(chǎn)生輻射，而任何種類(lèi)的輻射（即使是微量的）都會(huì)被近紅外光譜儀檢測(cè)到，這些輻射將導(dǎo)致儀表讀數(shù)有誤，除非我們把每一樣內(nèi)部元件都冷卻到極低溫，因此HARMONI內(nèi)部的組成元件的溫度大概是-153℃。

然而擁有高端設(shè)備和精密儀器的E-ELT，不得不面對(duì)來(lái)自地球的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)——地震活動(dòng)。同樣位于智利地區(qū)（帕拉那山上）的甚大望遠(yuǎn)鏡，曾經(jīng)歷過(guò)一次八級(jí)地震（在地震分類(lèi)中屬于最嚴(yán)重級(jí)別），顯然，E-ELT和其中的儀器也要承受隨時(shí)可能突然發(fā)生的自然災(zāi)難。

未來(lái)，通過(guò)E-ELT的5面反射鏡，我們將會(huì)看到各方科學(xué)家和工程師努力下所獲得的豐厚回報(bào)。天文學(xué)家能夠看到前所未見(jiàn)的宇宙，或許會(huì)改變我們看待宇宙的方式。