圖解天文望遠鏡發(fā)展史（5）

文/ 葉楠

20世紀末大型天文望遠鏡

19世紀末到20世紀初，第二次工業(yè)革命的興起不僅帶來了更大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，更細致的勞動分工，同時引發(fā)了科學(xué)技術(shù)的提升。這其中也包括機械、物流以及制鏡工藝水平的提高，使得建造、運輸和裝配更大口徑的天文望遠鏡成為了可能。20世紀初以量子力學(xué)、相對論以及核能的出現(xiàn)與應(yīng)用為代表的科技革命使得基礎(chǔ)科學(xué)研究達到了人類有史以來的最高水平。河外星系的發(fā)現(xiàn)為宇宙學(xué)研究增添了更多的未知，天文學(xué)家們迫切需要更大口徑的望遠鏡來探尋那更加遙遠也更加古老的宇宙深處。時間來到了20世紀下半葉，經(jīng)歷了兩次世界大戰(zhàn)的洗禮，雖然局部沖突不斷，但和平與發(fā)展是這個時代的主題，大型天文望遠鏡也如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)。

BTA-6

BTA-6是蘇聯(lián)在1975年建造完成的一臺大型望遠鏡，主鏡口徑6米。自建成以后直到1992年凱克望遠鏡完工前，它一度是世界上口徑最大的光學(xué)望遠鏡。不過這臺望遠鏡的實際成像能力一直備受質(zhì)疑。一方面它的臺址位于高加索山脈北側(cè)的卡拉恰伊-切爾克西亞，這里被諸多山峰包圍，大氣非常不穩(wěn)定。另一方面，望遠鏡還面臨著嚴重的熱膨脹問題，使其成像能力只有設(shè)計值的60%左右。在此后的3年間，BTA-6更換了兩次主鏡，之后數(shù)十年里這臺望遠鏡一直在修修補補。單鏡面主鏡自身巨大的重量以及龐大體積下隱藏的熱量都會使其產(chǎn)生重力形變和熱膨脹，從而影響望遠鏡的實際觀測能力。大氣湍流引起的抖動也是影響望遠鏡口徑繼續(xù)做大的一個重要因素。

主動光學(xué)技術(shù)

主動光學(xué)技術(shù)發(fā)展于1980年代，通過在反射望遠鏡主鏡背后安裝數(shù)量眾多的促動器來對鏡片進行支撐和微調(diào)。當(dāng)主鏡受到外力作用而產(chǎn)生形變時，例如由于自身重力、熱膨脹、機械應(yīng)力、風(fēng)力等等，不同位置的促動器會根據(jù)計算機指令對鏡片的不同位置施加壓力，從而使得整個鏡片保持盡量接近完美的狀態(tài)。主動光學(xué)技術(shù)在80年代后開始建造的大型望遠鏡中得到了廣泛的使用。圖為位于西班牙拉帕爾瑪島上的加那利大型望遠鏡的主動光學(xué)促動器。

自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)

所有地基天文臺都要透過地球大氣才能看到遙遠的天體。大氣會因為溫度、密度以及自身的流動而有不同的折射率，使得穿過大氣的光線產(chǎn)生扭曲。對于我們的眼睛來說，這種影響微乎其微，但對于光學(xué)天文望遠鏡來說，大氣抖動的影響是巨大的。早在1953年，海爾天文臺的巴布科克就提出了自適應(yīng)光學(xué)的概念，但受限于當(dāng)時的技術(shù)條件無法實現(xiàn)。直到20世紀90年代，隨著計算機和光學(xué)技術(shù)足夠發(fā)達，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)才得以廣泛應(yīng)用。同主動光學(xué)類似，自適應(yīng)光學(xué)也是通過促動器來實現(xiàn)對鏡面的改變以補償大氣湍流造成的波前畸變。不過它的調(diào)整速度比主動光學(xué)要快得多，每次調(diào)整不會超過1毫秒。圖為有無自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)拍攝的海王星照片對比（左圖采用了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)）。

多鏡面望遠鏡

1971年，美國開始研制多鏡面望遠鏡（MMT），于1979年建成并投入使用。圖為1981年拍攝的MMT照片，可以看到天文臺里由6個圓形鏡片組成的望遠鏡主鏡，每個鏡片的直徑為1.8米，6個鏡片組成了相當(dāng)于口徑4.5米的單鏡片望遠鏡的集光能力。MMT的設(shè)計是超前的，它的多鏡面技術(shù)能夠徹底解放單鏡面望遠鏡在重力形變和制造工藝上的限制。同時它還擁有高度精確的指向系統(tǒng)和先進的鏡片清洗和維護系統(tǒng)。1998年到2000年期間，MMT的主鏡進行了升級改造，用口徑6.5米的主鏡替代了之前的6個圓形鏡片。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用讓更新后的MMT煥發(fā)了新的生機。

新技術(shù)望遠鏡

新技術(shù)望遠鏡（NTT）坐落于智利的拉西拉天文臺，1989年建成，口徑3.6米。之所以稱之為新技術(shù)，是因為這是歷史上第一臺完整使用主動光學(xué)技術(shù)的望遠鏡。在觀測期間，主鏡的形狀可以通過促動器進行調(diào)整以獲得最佳的圖像品質(zhì)。副鏡的位置也可以在3個方向上進行靈敏的控制。除此以外，望遠鏡圓頂?shù)脑O(shè)計也極為注意通風(fēng)散熱問題，對望遠鏡周圍熱源的控制也進行了阻隔。這些新技術(shù)的應(yīng)用使得這臺口徑并不占優(yōu)勢的望遠鏡依舊可以在天文觀測前沿占據(jù)一席之地。

2.16米望遠鏡

位于中國河北省承德市興隆縣的興隆觀測基地是我國也是亞洲最大的光學(xué)天文觀測基地，始建于1965年，于1968年投入使用。目前口徑大于60厘米的專業(yè)天文望遠鏡有9臺，其中2.16米口徑光學(xué)望遠鏡由中國科學(xué)院、北京天文臺、南京天文儀器廠等單位共同聯(lián)合研制，于1989年正式投入使用，被譽為中國天文學(xué)發(fā)展史上的一個里程碑。2.16米望遠鏡擁有卡塞格林和折軸兩個焦點，焦比分別為F/9和F/45，具備成像和光譜觀測能力?；谠撏h鏡的觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)做出大量具有高顯示度的科研成果。在云南2.4米望遠鏡落成前，2.16米望遠鏡一直是我國最大的天文光學(xué)望遠鏡。

雙子望遠鏡

雙子望遠鏡是由兩臺完全一樣，但位于不同地點的望遠鏡組成。其中一臺位于北半球夏威夷海拔4213米的莫納克亞山上，另一臺位于南半球智利海拔2722米的帕穹山上。兩臺望遠鏡口徑均為8.1米，主鏡為單一鏡片，由超低膨脹率玻璃建造而成，表面精度達到15.6納米。單個主鏡厚20厘米，重達22噸。望遠鏡配備有主動光學(xué)、自適應(yīng)光學(xué)、多目標(biāo)光譜、激光導(dǎo)星系統(tǒng)等。兩臺望遠鏡相互配合，其觀測天區(qū)幾乎可以覆蓋全天，只有南北極點附近天區(qū)無法觀測。圖為正在利用激光導(dǎo)星系統(tǒng)進行自適應(yīng)光學(xué)校準的南雙子望遠鏡。

昴星團望遠鏡

昴星團望遠鏡是日本國家天文臺在夏威夷莫納克亞山建造的單鏡面光學(xué)望遠鏡，主鏡口徑8.2米、焦距15米。主鏡采用零膨脹玻璃制造，厚度只有20厘米，重約22.8噸。鏡面精度達到14納米，相當(dāng)于人類頭發(fā)直徑的五千分之一，并配備了主動光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。與常見的圓形圓頂不同，昴星團望遠鏡的圓頂呈圓柱體，高約43米、直徑40米，并在頂部安裝有風(fēng)扇以改善空氣流動情況。昴星團望遠鏡于1998年建造完成，成為當(dāng)時最大的光學(xué)望遠鏡。

霍比-埃伯利望遠鏡

霍比-埃伯利望遠鏡（HET）于1996年落成，位于美國得克薩斯州的麥克唐納天文臺。它11米×12米的六邊形主鏡是由91塊六邊形的小鏡子拼接而成的（如圖），等效口徑9.2米、焦距13.08米。望遠鏡朝地平高度55度仰望天空，在觀測過程中主鏡是固定不動的，通過移動安裝在焦平面上的終端設(shè)備對天體進行跟蹤，跟蹤視場可達12度。這種結(jié)構(gòu)雖然限制了望遠鏡的觀測天區(qū)，但大大減少了望遠鏡的預(yù)算，整個望遠鏡主體部分造價只有1350萬美元。望遠鏡還配備有主動光學(xué)系統(tǒng)，在每枚小鏡子下面有3個促動器，共計273個促動器用來矯正主鏡的重力形變。

凱克望遠鏡

1977年，兩位天文學(xué)家馬斯特和尼爾森提出了利用多鏡片拼接技術(shù)來制造大型地基天文望遠鏡。1985年，凱克基金會捐資7000萬美元用于凱克1號望遠鏡的建造，經(jīng)過5年的建設(shè)，該望遠鏡于1990年首次用于觀測，成為當(dāng)時世界上最大的光學(xué)望遠鏡。凱克1號的成功吸引了更多的投資，凱克2號于1996年建造完成。兩臺望遠鏡的主鏡分別由36片口徑1.8米、厚7.5厘米、重0.5噸的六邊形鏡片拼接而成，等效口徑10米。兩臺凱克望遠鏡坐落于夏威夷的莫納克亞山上，相距85米。2001年，兩臺望遠鏡首次進行了光學(xué)干涉觀測，其分辨率相當(dāng)于一臺口徑85米的望遠鏡。

在21世紀到來之前，大型光學(xué)望遠鏡已經(jīng)達到了10米量級，比起一個世紀前又向前跨越了一大步。主動光學(xué)、自適應(yīng)光學(xué)、數(shù)字電子技術(shù)以及光學(xué)干涉技術(shù)的應(yīng)用，大大推進了天文學(xué)研究的發(fā)展。而在人類進入21世紀后，這股趨勢繼續(xù)引領(lǐng)著望遠鏡技術(shù)的發(fā)展，同時更多發(fā)展中國家也開始加大對基礎(chǔ)科學(xué)研究的投入，建造屬于自己的天文臺，新的臺址和新的望遠鏡逐漸出現(xiàn)在全球各個角落。