那些充滿設計感的天文望遠鏡

魏依晨

郭守敬望遠鏡光纖配鏡子，魚與熊掌可兼得

在天文望遠鏡的設計領域，始終存在著一個“魚和熊掌無法兼得”的問題，這就是大口徑與大視場的矛盾，簡單地說，就是“看得遠”和“看得廣”無法兼得。

位于我國河北興隆縣的郭守敬望遠鏡（大天區(qū)面積多目標光纖光譜望遠鏡）正是基于解決天文望遠鏡大口徑與大視場之間的矛盾而研制，為我國自主研制大口徑望遠鏡開辟了道路。

郭守敬望遠鏡是一臺施密特反射式望遠鏡，來自宇宙的光線首先被一塊名為MA的平面主鏡反射到一塊叫MB的球面主鏡上，光線被匯聚到MB的焦面，在焦面上迎接這些光線的是4？000根光纖，這些光纖會把來自不同方向的光線精準地導入到光譜儀中。正因為有了這4？000根光纖，郭守敬望遠鏡在理論上可以最多同時觀測4？000顆不同的恒星，這樣就相當于獲得了一個超級大的視場。郭守敬望遠鏡不像傳統(tǒng)的光學望遠鏡那樣能拍出很漂亮的天體照片，它拍到的是天體的光譜。

主動光學技術是郭守敬望遠鏡最核心的關鍵技術。所謂主動光學，就是主動改變鏡片形狀，克服由于重力、溫度和風力造成的鏡面本身形變對成像帶來的影響，使成像更加清晰。要對一塊大鏡面做出精確微調(diào)是很困難的。郭守敬望遠鏡的MA和MB主鏡分別由24塊和37塊六邊形的小鏡子拼接而成，研發(fā)團隊在每一塊鏡片的后面設計安裝了促動器，這些促動器的作用除了承載鏡面的重量外，更重要的是調(diào)整鏡面的形狀。

郭守敬望遠鏡創(chuàng)造性地應用多項技術，突破了望遠鏡大口徑與大視場難以兼得的瓶頸，獲得了一系列觀測成果。2019年3月，郭守敬望遠鏡七年巡天光譜數(shù)據(jù)正式發(fā)布，里面包含了1？125萬條光譜，大約是國際上其他巡天項目發(fā)布光譜數(shù)之和的兩倍。至此，郭守敬望遠鏡成為世界上第一個獲取光譜數(shù)突破千萬量級的光譜巡天項目。

“中國天眼”擁有“視網(wǎng)膜”和“瞳孔”

談及天文望遠鏡，相信很多人都會想起位于我國貴州黔南喀斯特洼地的那口“大鍋”——500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）。

被譽為“中國天眼”的FAST是目前全球單口徑最大、靈敏度最高的射電天文望遠鏡，這口“大鍋”的設計不同于世界上已有的單口徑射電望遠鏡，其獨特之處主要體現(xiàn)在它的“視網(wǎng)膜”和“瞳孔”上。“視網(wǎng)膜”指反射面，“瞳孔”則指的是饋源艙。

FAST的“視網(wǎng)膜”是由4？500塊反射單元組成的主動反射面，索網(wǎng)結構是FAST主動反射面的主要支撐結構，它可以改變自身形態(tài)，一會變成球面，一會變成拋物面。就像水手扯動纜繩能控制風帆的方向一樣，通過拉扯鋼索網(wǎng)可以使這口“大鍋”變向，而整個變向過程由激光定位系統(tǒng)校準。

“視網(wǎng)膜”的設計目標是要把覆蓋30個足球場范圍的信號聚集在一顆小藥丸大小的空間里，盡可能地監(jiān)聽宇宙中微弱的射電信號，而負責接收宇宙信號的是放在饋源艙內(nèi)的饋源——類似一個收集衛(wèi)星信號的喇叭式裝置。懸空的饋源艙酷似一顆望向宇宙的“瞳孔”，它重達30噸，被6條400多米的鋼索吊起，移動范圍可達200米。鋼索網(wǎng)與饋源艙接收器中每一部分的位移都控制在毫米級，F(xiàn)AST才能正常工作，“看清”宇宙奧秘。

自2020年1月11日通過國家驗收以來，F(xiàn)AST在中性氫譜線測量星際磁場、快速射電暴、脈沖星搜索等天文前沿領域取得一系列重要科學成果。

詹姆斯·韋布空間望遠鏡“蜂巢”巨鏡“照”出宇宙奧秘

2021年12月25日，詹姆斯·韋布空間望遠鏡發(fā)射升空。作為哈勃空間望遠鏡的繼任者，詹姆斯·韋布空間望遠鏡備受期待，而幾經(jīng)推遲終于升空的它不負眾望地獲得了許多突破性成果，讓人們能夠看清更遙遠的宇宙深空。這些成果得益于一個蜂巢造型的“大鏡子”。

主要在紅外波段觀測的詹姆斯·韋布空間望遠鏡由光學和科學儀器、遮陽板以及被稱為“航天器總線”的支持系統(tǒng)等部分組成，總重量6.2噸。

光學模塊采用“三反射鏡消像散系統(tǒng)”，被主鏡捕捉的紅外線要經(jīng)過次鏡和三級鏡反射，再由精細轉(zhuǎn)向鏡傳遞至科學儀器模塊。直徑達6.5米的巨大主鏡成為該望遠鏡外形最亮眼之處，它由18塊六邊形鏡片拼接而成，采集光線面積達到哈勃空間望遠鏡的5倍以上。次鏡由3個從主鏡正面延伸出來的長臂支撐，三級鏡和精細轉(zhuǎn)向鏡被安置在主鏡中心凸起的黑色“鼻錐”內(nèi)。

為使敏感的紅外信號免受太空輻射干擾，該望遠鏡需在約-220？℃的低溫環(huán)境中工作。它的主鏡、次鏡和三級鏡鏡片的制造材料均為金屬鈹。這種金屬密度低，硬度相對較高，低溫下不易收縮變形。鏡片表面噴涂了一層厚度僅100納米的黃金，其目的是優(yōu)化鏡面反射紅外線性能。

集成科學儀器模塊位于主鏡背面，包含近紅外相機、近紅外光譜儀、近紅外成像儀、無縫隙光譜儀、中紅外儀等設備，它們可對該望遠鏡收集到的光線進行分析成像。

風箏形狀的巨幅遮陽板位于主鏡下方，為望遠鏡抵擋來自太陽、地球和月球的輻射。遮陽板面積接近網(wǎng)球場大小，設計成5層薄膜結構，材質(zhì)為鍍鋁聚酰亞胺。遮陽板將望遠鏡分隔成朝向深空和朝向太陽的冷熱兩側(cè)，其溫差極限超過300？℃。

發(fā)布首批深空全彩成像、首次直接拍攝到系外行星、探測到迄今最遙遠的星系、穿過層層塵埃探測星系內(nèi)部情況……自發(fā)射升空以來，詹姆斯·韋布空間望遠鏡帶給了人們太多驚喜，如今它還繼續(xù)漂泊在太空中，不斷探索宇宙形成之初的奧秘。

HabEx望遠鏡或?qū)⒂谩盎ò辍弊钃鹾阈枪饩€

HabEx望遠鏡即“宜居系外行星天文臺”，能夠直接拍攝環(huán)繞其他恒星運行的行星。它的觀測目標是從熱木星到超級地球的所有類型行星，但其主要任務是觀測類地系外行星。換句話講，HabEx望遠鏡將試著探測環(huán)繞其他恒星運行的行星上的生命跡象。

為了實現(xiàn)這一目標，HabEx望遠鏡需要阻擋恒星光線，以便探測到恒星周圍光線昏暗的行星。

HabEx望遠鏡阻擋恒星光線的第一個方法是安裝日冕儀，這是安裝在望遠鏡內(nèi)部的一個微小結構，它能夠阻擋恒星的光線，恒星周圍天體的昏暗光線將通過望遠鏡傳感器進行成像。該望遠鏡擁有一個特殊的可變形鏡面，可以微調(diào)和調(diào)諧，直至光線微弱的行星進入觀察視野范圍。

HabEx望遠鏡阻擋恒星光線的第二個方法就是使用遮星板，它位于望遠鏡前方，形似花瓣，有足球場大小，能阻擋恒星發(fā)出的光，同時允許行星反射的光照射到望遠鏡的儀器上。

除了觀測類地系外行星這一主要任務，HabEx望遠鏡還將用于天體物理學研究，如觀測早期宇宙、研究大質(zhì)量恒星以超新星方式爆炸前后的化學成分等。