看天文望遠(yuǎn)鏡那些匠心獨(dú)具的設(shè)計

2024年1月，我國空間科學(xué)衛(wèi)星——愛因斯坦探針成功發(fā)射，有望捕捉超新星爆發(fā)時發(fā)出的第一縷光，幫助搜尋和精確定位引力波源，發(fā)現(xiàn)宇宙中更遙遠(yuǎn)、更暗弱的天體，以及那些轉(zhuǎn)瞬即逝的神秘天文現(xiàn)象。

據(jù)悉，科學(xué)家從龍蝦眼睛奇特的聚焦成像原理中受到啟發(fā)，設(shè)計出一種特殊的新型X射線望遠(yuǎn)鏡，同時具有超大觀測視野和更高的探測靈敏度。也就是說，這種望遠(yuǎn)鏡在看得很寬的同時，還可以看到更暗、更遠(yuǎn)的宇宙。正是得益于采用了龍蝦眼望遠(yuǎn)鏡技術(shù)，愛因斯坦探針衛(wèi)星可以對目前知之甚少的軟X射線波段進(jìn)行大視場、高靈敏度、快速時域巡天監(jiān)測。

實際上，像“龍蝦眼”這樣匠心獨(dú)具的望遠(yuǎn)鏡還有很多，它們或穿梭星宇，或扎根大地，為探索宇宙奧秘貢獻(xiàn)著力量。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡：光纖配鏡子，魚與熊掌可兼得

在天文望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計領(lǐng)域，長期以來始終存在著一個“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(yuǎn)”和“看得廣”無法兼得。

位于河北興隆縣的大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡（LAMOST），又被稱為“郭守敬望遠(yuǎn)鏡”，其最初的研制方案正是基于解決天文望遠(yuǎn)鏡大口徑與大視場之間的矛盾，為中國自主研制大口徑望遠(yuǎn)鏡開辟道路。

LAMOST的整體結(jié)構(gòu)是一臺施密特反射式望遠(yuǎn)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4000根光纖，這些光纖會把來自不同方向的光線精準(zhǔn)地導(dǎo)入光譜儀中。正因為有了這4000根光纖，理論上LAMOST可以同時最多觀測4000顆不同的恒星。這樣就相當(dāng)于獲得了一個超級大的視場。因此，LAMOST并不是像傳統(tǒng)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡那樣能拍出很漂亮的天體照片，它拍到的是天體的光譜。

此外，主動光學(xué)技術(shù)是LAMOST最核心的關(guān)鍵技術(shù)。所謂主動光學(xué)，就是主動改變鏡片形狀，克服由于重力、溫度和風(fēng)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。一塊大鏡面做出精確微調(diào)是很難的。LAMOST的MA和MB主鏡分別是由24塊和37塊六邊形的小鏡子拼接而成的。研發(fā)團(tuán)隊在每一塊鏡片的后面安裝了促動器，這些促動器除了能承載鏡面，更重要的是能調(diào)整鏡面的形狀。

主動光學(xué)技術(shù)可以通過計算機(jī)的算法對小鏡片實現(xiàn)干分之一毫米級的實時調(diào)整，使小鏡子可以根據(jù)觀測需求變形，并使各個小鏡子共焦，上千個促動器實時控制組成MA的各個小鏡子，以便達(dá)到要求的形狀，讓成像更加清晰。

LAMOST創(chuàng)造性地應(yīng)用多項技術(shù)，突破了望遠(yuǎn)鏡大口徑與大視場難以兼得的瓶頸，還獲得了一系列觀測成果。2019年3月，LAMOST7年巡天光譜數(shù)據(jù)正式發(fā)布，里面包含了1125萬條光譜，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，LAMOST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。

HabEx望遠(yuǎn)鏡：或?qū)⒂谩盎ò辍弊钃鹾阈枪饩€

HabEx望遠(yuǎn)鏡，即宜居系外行星天文臺。據(jù)悉，它能夠直接拍攝環(huán)繞其他恒星運(yùn)行的行星。它的觀測目標(biāo)是從熱木星到超級地球的所有類型行星，但其主要任務(wù)是觀測類地系外行星。

換句話講，HabEx望遠(yuǎn)鏡將試著探測環(huán)繞其他恒星運(yùn)行的行星上的生命跡象。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，HabEx望遠(yuǎn)鏡需要阻擋恒星的光線，這樣才能探測到恒星周圍光線昏暗的行星。

HabEx望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡內(nèi)部的一個微小結(jié)構(gòu)，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(yuǎn)鏡傳感器進(jìn)行成像。該望遠(yuǎn)鏡擁有一個特殊可變形鏡面，可以微調(diào)和調(diào)諧，直至光線微弱的行星進(jìn)入觀察視野范圍。

HabEx望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡前方，形似花瓣，有足球場大小，能阻擋恒星發(fā)出的光，但允許行星反射的光照射到望遠(yuǎn)鏡的儀器上。

除了觀測類地系外行星這一主要任務(wù)，HabEx望遠(yuǎn)鏡還將用于天體物理學(xué)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(xué)成分等。

詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡：“蜂巢”巨鏡“照”出宇宙奧秘

2021年12月25日，詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空。作為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的繼任者，幾經(jīng)推遲終于升空的詹姆斯-韋布太空望遠(yuǎn)鏡不負(fù)眾望地獲得了許多突破性成果，讓人們能夠看清更遙遠(yuǎn)的宇宙深空。這些成果都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·韋布太空望遠(yuǎn)鏡由光學(xué)和科學(xué)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6.2噸。

詹姆斯-韋布太空望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)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(xì)轉(zhuǎn)向鏡傳遞至科學(xué)儀器模塊。直徑達(dá)6.5米的巨大主鏡成為詹姆斯-韋布太空望遠(yuǎn)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(dá)到其“前任”哈勃太空望遠(yuǎn)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(xì)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，詹姆斯-韋布太空望遠(yuǎn)鏡須在約-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選用金屬鈹。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(xué)儀器模塊位于主鏡背面，包含近紅外相機(jī)、近紅外光譜儀、近紅外成像儀和無縫隙光譜儀、中紅外儀等設(shè)備，它們將對望遠(yuǎn)鏡收集到的光線進(jìn)行分析成像。

風(fēng)箏形狀的巨幅遮陽板位于主鏡下方，為望遠(yuǎn)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(shè)計成5層薄膜結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為鍍鋁聚酰亞胺，距離太陽最近的外層厚度為0.05毫米，其他層厚度為0.025毫米。遮陽板將望遠(yuǎn)鏡分隔成分別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(yuǎn)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-韋布太空望遠(yuǎn)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。