日本斯巴魯8米望遠(yuǎn)鏡

郭紅鋒

科學(xué)家需要更大口徑的望遠(yuǎn)鏡來觀察更深遠(yuǎn)的宇宙。傳統(tǒng)大口徑望遠(yuǎn)鏡為了維持鏡面的形狀，避免受到外界影響和自重造成的變形，都做得非常厚重，而這樣的望遠(yuǎn)鏡口徑增大到一定程度即使能制造出來也難以達(dá)到設(shè)計(jì)效果。因此，科學(xué)家首先要解決鏡子輕型問題。

早在科學(xué)家制造海爾望遠(yuǎn)鏡的時(shí)候，為減輕主鏡的重量，已經(jīng)采用了把厚重的鏡子背面鑄成蜂窩狀的設(shè)計(jì)，但海爾望遠(yuǎn)鏡的5米直徑主鏡仍然達(dá)13噸之重，如果繼續(xù)沿用海爾望遠(yuǎn)鏡的方法擴(kuò)大口徑顯然不是明智的方法。后來，很多人研究了把望遠(yuǎn)鏡主鏡變薄來減重的方法，但鏡面變薄后帶來的嚴(yán)重變形和剛度變差等一系列問題，在那個(gè)時(shí)代還無法得到解決。

一、主動(dòng)光學(xué)的應(yīng)用

現(xiàn)代大口徑望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展，得益于多學(xué)科、高技術(shù)的發(fā)展，及其在望遠(yuǎn)鏡制造上的應(yīng)用。20世紀(jì)八十年代發(fā)展起來的主動(dòng)光學(xué)技術(shù)，極大地助力了大口徑天文望遠(yuǎn)鏡的研發(fā)和制造。為了克服薄鏡面的變形問題，人們把許多小促動(dòng)器（能夠給鏡面施力的器件）連接到鏡子背面。鏡面的變形由高精度檢測(cè)技術(shù)測(cè)量，其結(jié)果輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，并控制每一個(gè)促動(dòng)器加給鏡面力的大小和方向，從而使大口徑主鏡面在運(yùn)行中始終能保持正確的、滿足觀察目標(biāo)成像要求的、精確的反射鏡形狀（見圖1）。

圖1 現(xiàn)代大口徑望遠(yuǎn)鏡

二、自適應(yīng)光學(xué)的應(yīng)用

自適應(yīng)光學(xué)是一項(xiàng)針對(duì)大氣抖動(dòng)造成光波的波前畸變而發(fā)展起來的光學(xué)鏡面矯正技術(shù)。

地球表面的大氣層對(duì)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)有影響。大氣雖然是透明的，但也是流動(dòng)的，會(huì)造成星空目標(biāo)輻射來的“步調(diào)一致”的光線變得“扭曲”（見圖2-1），影響最終的成像質(zhì)量（使星點(diǎn)變形）。自適應(yīng)光學(xué)首先要檢測(cè)星光波前扭曲的情況，然后通過安裝在望遠(yuǎn)鏡焦面后方的一塊小型的可變形鏡面，針對(duì)星光波前的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)矯正。可變形鏡面的面型由其背后的促動(dòng)器控制，根據(jù)星光波前的變化改變自身的面型，以適應(yīng)被大氣擾動(dòng)了的光波波前情況。矯正以后的光波變得整齊一致（見圖2-2），成像就優(yōu)良了。促動(dòng)器數(shù)量可以有數(shù)十個(gè)到數(shù)千個(gè)不等，每次調(diào)整矯正要在大氣擾動(dòng)的頻率范圍內(nèi)（0.5～1毫秒級(jí)）及時(shí)間內(nèi)完成，所以自適應(yīng)光學(xué)是在更短的時(shí)間尺度上進(jìn)行鏡面矯正，從而來補(bǔ)償大氣層對(duì)圖像造成扭曲的影響。

自適應(yīng)光學(xué)與主動(dòng)光學(xué)不同，它不是調(diào)整因重力形變等因素造成的主鏡變形對(duì)星像質(zhì)量的影響，而是用于補(bǔ)償和修復(fù)大氣湍流等因素帶來的對(duì)星像質(zhì)量的影響。

主動(dòng)光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)的發(fā)展，使望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)思想有了新的超越，已經(jīng)逐步成為大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡廣泛使用的技術(shù)，并為下一代更大口徑望遠(yuǎn)鏡的建造開辟了出路。新一代大口徑望遠(yuǎn)鏡普遍使用薄而輕的鏡面，同時(shí)采用高精度檢測(cè)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)，這些新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展都為下一代更大口徑、更高水平的望遠(yuǎn)鏡制造鋪平了道路。

日本國立天文臺(tái)1992年始建的斯巴魯（SUBARU）望遠(yuǎn)鏡，以昴星團(tuán)的日文命名（有聚集在一起的意思，代表日本天文界通力合作的結(jié)果），于1999年建成并安裝在夏威夷島莫納克亞火山（4163米）上，其主鏡口徑8.2米，建成時(shí)是世界最大的單一鏡面望遠(yuǎn)鏡。由于采用了零膨脹玻璃制作成超薄鏡面，厚度只有20厘米，重量?jī)H有22.8噸，并且安裝了主動(dòng)光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。斯巴魯望遠(yuǎn)鏡還采用了多個(gè)和以往望遠(yuǎn)鏡不同的新技術(shù)，例如望遠(yuǎn)鏡的圓頂采用了圓柱形（而不是像大多數(shù)其他天文臺(tái)那樣是半球形的），高約43米，直徑40米，并在頂部安裝有風(fēng)扇，以改善空氣流動(dòng)，減少望遠(yuǎn)鏡附近的空氣湍流。

圖3 日本斯巴魯望遠(yuǎn)鏡

圖4 斯巴魯望遠(yuǎn)鏡對(duì)暗物質(zhì)和黑洞的觀測(cè)起到了很大作用

斯巴魯大型光學(xué)/紅外望遠(yuǎn)鏡的三個(gè)主要特點(diǎn)：一是鏡面薄，通過主動(dòng)光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)獲得較高的成像質(zhì)量;二是計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制可實(shí)現(xiàn)0.1秒的高精度跟蹤;三是采用圓柱形觀測(cè)室，自動(dòng)控制通風(fēng)和空氣過濾器，使熱湍流的排除達(dá)到最佳條件。該望遠(yuǎn)鏡自1999年投入使用以來，一直保持同類儀器中（單一口徑望遠(yuǎn)鏡）最大的記錄，在天文觀測(cè)和宇宙研究中發(fā)揮著重要的作用。截至2019年，天文學(xué)家已經(jīng)使用此望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了1824顆新的超新星。其中54顆是罕見的la型超新星，距離地球超過80億光年。斯巴魯望遠(yuǎn)鏡和超級(jí)相機(jī)已經(jīng)幫助研究人員繪制了暗物質(zhì)的3D圖，并對(duì)原始黑洞進(jìn)行了觀察。如果不采用薄鏡面、主動(dòng)光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，以及其他配套的最新科學(xué)技術(shù)成果，這些成果是不可能完成的。

問題1：

你還知道哪些著名的，采用現(xiàn)代化高科技的大型天文望遠(yuǎn)鏡？

問題2：

你有什么對(duì)未來望遠(yuǎn)鏡發(fā)展的想法和建議嗎？

請(qǐng)發(fā)郵件到郵箱chinahou@bao.ac.cn，記得要寫清你的聯(lián)系信息（姓名、學(xué)校、電話等）哦，我們會(huì)按照你的要求，及時(shí)回復(fù)的。