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【博科園-科學(xué)科普】如果你想了解更多關(guān)于宇宙的知識(shí)，你可以做的只有這么多，可以改善你的光學(xué)和視覺系統(tǒng)使你的鏡子比以前更平滑和更無(wú)缺陷。你可以通過(guò)自適應(yīng)光學(xué)或優(yōu)化天文臺(tái)的位置來(lái)改善條件。也可以使用相機(jī)/ CCD/ grism技術(shù)使你的望遠(yuǎn)鏡能夠收集到的每一個(gè)光子。主鏡越大，就能越深，越快，分辨率越高也就能在宇宙中看到更多東西。

這個(gè)藝術(shù)圖顯示了在智利北部的Cerro armazone的一個(gè)非常大的望遠(yuǎn)鏡的夜景。該望遠(yuǎn)鏡使用激光在大氣中制造出人造恒星。圖片版權(quán)：ESO/L. Cal?ada

目前世界上有許多10米(33英尺)直徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，巨大的麥哲倫望遠(yuǎn)鏡25米(82英尺)，在短短幾年內(nèi)就打破了這一記錄。但一個(gè)更雄心勃勃的項(xiàng)目即歐洲南方天文臺(tái)(ESO)在2014年開始建造的直徑為39米(128英尺)的巨型望遠(yuǎn)鏡(簡(jiǎn)稱ESO)，到本世紀(jì)20年代中期的時(shí)候?qū)⒊^(guò)記錄。

在2016年公布的這幅作品的建造設(shè)計(jì)，完成的望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)，在大約7年的時(shí)間里它的圓頂將打開。圖片版權(quán)：ESO/L. Cal?ada/ACe Consortium

它不僅會(huì)以比哈勃望遠(yuǎn)鏡更清晰16倍的圖像和256倍的光能收集能量，但它將使我們能夠用我們現(xiàn)有的儀器來(lái)做那些深不可測(cè)的科學(xué)。我們可以直接探測(cè)來(lái)自外太陽(yáng)系行星的光——行星圍繞著我們自己的恒星周圍并在光譜上分開，分辨出它們的大氣中有什么。對(duì)于所有最接近恒星的行星來(lái)說(shuō)，我們甚至可以看到這些行星的第一個(gè)直接圖像。它還將拍攝宇宙中最遙遠(yuǎn)、最早的星系的前所未有的圖像，在其他星系中心的超大質(zhì)量黑洞，將在新形成的恒星周圍的原行星盤中探測(cè)到水和有機(jī)(碳基)分子，它將探測(cè)暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)和性質(zhì)。有了這么大高質(zhì)量的望遠(yuǎn)鏡，就有了更多的新科學(xué)。

演化后的原行星盤有很大的空隙，圍繞著年輕的恒星HL Tauri。左邊的阿爾瑪形象，右邊的VLA形象。在這種情況下像這樣的原行星盤的新視圖，包括在光學(xué)上，將成為可能。圖片版權(quán)：Carrasco-Gonzalez, et al.; Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

關(guān)鍵是主鏡的大小和質(zhì)量，光學(xué)的項(xiàng)目經(jīng)理——望遠(yuǎn)鏡的項(xiàng)目經(jīng)理馬克·卡瑞爾(Marc Cayrel)說(shuō)：為了建造這么大的望遠(yuǎn)鏡需要建造一個(gè)有效的表面，它的形狀是正確的，直徑為39米，中心有一個(gè)大洞，相當(dāng)于1000平方米。(相比之下，哈勃的面積是4.5平方米。)表面需要平滑到令人難以置信的7.5納米：只有它收集的光波長(zhǎng)的1 / 100。不能構(gòu)建一個(gè)大到那種平滑程度的單鏡像，因此唯一的選擇就是在片段中進(jìn)行。SCHOTT生產(chǎn)的材料制成獨(dú)特的低膨脹ZERODUR?材料，然后由SAFRAN-REOSC拋光，將擁有人類歷史上比任何光學(xué)望遠(yuǎn)鏡最大的主鏡。

這幅航拍圖像顯示了歐洲超大望遠(yuǎn)鏡的主鏡的1:1比例模型，它是在意大利阿西哥附近的阿西哥天體物理學(xué)觀測(cè)臺(tái)旁邊組裝的。這種分段結(jié)構(gòu)對(duì)于這種尺寸和重量的望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)是必要的，特別是在理想的光學(xué)精度上。圖片版權(quán)：ESO/Sergio Dalle Ave & Roberto Ragazzoni (INAF-OAPD)

在一個(gè)令人難以置信的技術(shù)成就中，主鏡將由798個(gè)六角形的部分組成，每一個(gè)都是1.4米的大小，從角到角測(cè)量每一段只有50毫米(大約兩英寸)厚，下面的力學(xué)，形成一個(gè)完整的集合，可以從望遠(yuǎn)鏡里移動(dòng)。每個(gè)單獨(dú)的部分都可以被拋光到7.5納米的平滑度(這是均方根平滑度)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)目標(biāo)。這種平滑度的最大優(yōu)點(diǎn)是圖像質(zhì)量，因?yàn)槟阈枰氖枪饩€波長(zhǎng)的極小部分，以便進(jìn)行高對(duì)比度成像，特別是對(duì)于那些遙遠(yuǎn)的物體。然后，一個(gè)特殊的反射涂層被物理地添加到頂部，以充分利用每一個(gè)進(jìn)入和撞擊主鏡的光子。

一個(gè)完整的切割和拋光的1.4米的部分。圖片版權(quán)：? SCHOTT

制造拋光和建造這些鏡子和組裝將需要大約7年的時(shí)間，因?yàn)檫@個(gè)地方需要800個(gè)左右。因?yàn)樗麄兞切?六面)鏡子鏡子需要完成一個(gè)特定的幾何形狀,這意味著有133個(gè)獨(dú)特的形狀需要完整的鏡子798÷6 = 133。如果沒有按照鏡子形狀要求的漸變來(lái)制作它們，就會(huì)有光學(xué)像差，這是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的原始缺陷！但是涂層本身是脆弱的和臨時(shí)的，必須在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。所以這意味著你需要一個(gè)專門的生產(chǎn)設(shè)施可以每天在那里制作一個(gè)鏡像涂層;即使是這樣，也要花兩年的時(shí)間才能把所有的單鏡望遠(yuǎn)鏡都準(zhǔn)備好。

哈勃的原始視圖(左)與鏡像缺陷的前后對(duì)比，以及正確的光學(xué)后的修正圖像(右)。圖片：NASA / STScI

在地球上鏡子上的反光膜會(huì)被磨損。盡管鏡子的光學(xué)質(zhì)量在幾十年的時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定的，但額外的層只有18個(gè)月左右，直到需要維護(hù)為止。這意味著要完全剝離鏡子涂層，并在連續(xù)的基礎(chǔ)上涂上一層新涂層。即使你可以每天更換一到兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡——因?yàn)橥h(yuǎn)鏡只在夜間使用——你不可能把所有的部分都保持在連續(xù)的操作中，只有798個(gè)望遠(yuǎn)鏡的鏡子。相反需要制造一個(gè)“額外的”133個(gè)鏡子，每一個(gè)獨(dú)特的形狀，這樣就可以更換鏡子，需要重新修復(fù)和重新編碼，而不危及整個(gè)望遠(yuǎn)鏡，總共有931個(gè)鏡子。

當(dāng)然需要一個(gè)額外的存儲(chǔ)設(shè)施用于133個(gè)鏡子，一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的剝離和重新編碼設(shè)施，當(dāng)你沒有看到天空的時(shí)候，基本上把你的天文臺(tái)變成一個(gè)工廠。這個(gè)拼寫的計(jì)劃是，每天都要有一個(gè)連續(xù)的維護(hù)狀態(tài)，用一個(gè)新重新編碼的鏡子代替鏡子，這意味著它每天晚上都可以進(jìn)行連續(xù)的操作。

這張圖展示了ESO超大望遠(yuǎn)鏡(ELT)的新型5 -鏡像光學(xué)系統(tǒng)。在到達(dá)科學(xué)儀器之前，光首先從望遠(yuǎn)鏡的巨大的凹凸的39米分割的主鏡反射(M1)，然后又反射出兩個(gè)4 - metrea級(jí)的鏡子，一個(gè)凸(M2)和一個(gè)凹面(M3)。最后的兩個(gè)鏡子(M4和M5)形成一個(gè)內(nèi)置自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，允許在最終的焦平面上形成非常清晰的圖像。圖片：ESO

即使有798個(gè)完美的配置拋光和涂層的鏡子，挑戰(zhàn)還沒有結(jié)束，不只是需要每個(gè)鏡像段的高精度表面，需要同樣的精度在所有的鏡子組合，同時(shí)為了使鏡面的容忍度降低到精確的程度，需要考慮到地球的重力會(huì)使鏡子變形，溫度的差異和波動(dòng)。三個(gè)位置執(zhí)行器可以對(duì)齊每一個(gè)分段裝配的高度，尖端和傾斜，這將使鏡像連續(xù)不斷地對(duì)齊:最多每秒4次。但其他必要的對(duì)齊方式來(lái)自于一個(gè)9個(gè)執(zhí)行器扭曲的線束，它位于每個(gè)鏡子的底面。這些執(zhí)行器應(yīng)用扭矩來(lái)補(bǔ)償每面鏡子的變形，在這種情況下形狀和曲率可以被優(yōu)化，產(chǎn)生所需的納米級(jí)精度。根據(jù)所觀察到的和熱環(huán)境的情況，可以根據(jù)需要進(jìn)行多次調(diào)整。

這不僅僅是需要傾斜、扭曲和指向的裝配結(jié)構(gòu)，而是每個(gè)鏡子背面的執(zhí)行器。這是實(shí)現(xiàn)所需的7.5納米精度的唯一方法，不只是在每個(gè)鏡子上，而是在主陣列中的每一個(gè)鏡子之間。圖片版權(quán)：ESO/H.-H. Heyer

接下來(lái)需要?jiǎng)?chuàng)建要實(shí)現(xiàn)的整體鏡像的形狀:我們稱之為主鏡像的“設(shè)定值”。通過(guò)觀察一顆星星并分析它從鏡子上反射回來(lái)的光線，就可以確定每一個(gè)798個(gè)鏡子如何相對(duì)移動(dòng)以達(dá)到完美的焦點(diǎn)。一旦完成了校準(zhǔn)鏡子都被認(rèn)為是鎖相的。在夜間這個(gè)設(shè)置點(diǎn)將被用于觀察，在整個(gè)過(guò)程中獲得非常好的準(zhǔn)確性。

但是要在你的觀察中保持這個(gè)集合點(diǎn)，你需要對(duì)單個(gè)的鏡子做出微小的、持續(xù)的調(diào)整。氣溫將會(huì)變化，重力，將會(huì)有內(nèi)部振動(dòng)給望遠(yuǎn)鏡組裝，甚至?xí)写罅康娘L(fēng)效應(yīng)，這就像在湖邊或池塘里看到的波紋，如果需要一個(gè)非常光滑的表面必須清理那些。對(duì)每一面鏡子做很小的調(diào)整每秒鐘大約每秒4到5次，這會(huì)使你在整晚保持鎖相和在那個(gè)設(shè)置點(diǎn)上達(dá)到7.5納米精度。

每面鏡子都是一個(gè)形狀很好的圓形圓盤，133個(gè)“點(diǎn)”中的任何一個(gè)都有正確的漸變，它將在主鏡陣列中占據(jù)。只有在拋光到7.5納米的公差后，鏡子才能被切割成1.4米的六角形部分，最后的涂層隨后應(yīng)用于此。圖片版權(quán)：SCHOTT/ESO

在個(gè)體鏡像部分和邊緣效應(yīng)之間也會(huì)有空隙，畢竟有798面鏡子，每面有6條邊，這幾乎是5000條邊！很難將鏡面均勻地打磨到邊緣，否則你會(huì)在邊緣處被“折光”。為了克服這一點(diǎn)將一個(gè)直徑1.5米的圓盤拋光，然后雕刻出1.4米的六角形部分，然后再涂上你的最終涂層。盡管如此六邊形的部分，即使在每個(gè)部分之間只有4毫米的差距，也會(huì)創(chuàng)造出無(wú)法避免的圖像偽跡：衍射峰值。與哈勃望遠(yuǎn)鏡不同，它的每顆恒星有四個(gè)尖峰，由于六邊形的間隙它將有6個(gè)。

這顆恒星為氣泡星云提供動(dòng)力，其質(zhì)量約為太陽(yáng)質(zhì)量的40倍。注意由于望遠(yuǎn)鏡本身，衍射峰值會(huì)干擾附近細(xì)微結(jié)構(gòu)的詳細(xì)觀測(cè)。圖片：NASA, ESA, Hubble Heritage Team

即便如此在這方面也有一些技巧。如果想象一些非常遙遠(yuǎn)或廣闊的領(lǐng)域，那么這些峰值幾乎是無(wú)法察覺的。但如果想要想象一些微弱的東西，那很接近明亮的東西，那就是當(dāng)峰值的時(shí)候通過(guò)將gap - space最小化作為表面積的函數(shù)- - - 99%的望遠(yuǎn)鏡表面是鏡面- - -可以幫助減小峰值的大小。通過(guò)使用剪切成像可以在兩個(gè)圖像上有輕微的錯(cuò)誤定位然后再減去它們，可以去除這些衍射峰值的大部分影響。

這個(gè)巨大的望遠(yuǎn)鏡直徑39米的主鏡，將是世界上最大的眼睛，當(dāng)它在未來(lái)10年開始運(yùn)作的時(shí)候，它將成為世界上最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。這是一個(gè)詳細(xì)的初步設(shè)計(jì)，展示了整個(gè)天文臺(tái)的解剖結(jié)構(gòu)。圖片版權(quán)：ESO

它的大小，它的力量，它的重量以及它的復(fù)雜性都是不可能的建造——重新完成”的望遠(yuǎn)鏡。需要在整個(gè)晚上不斷調(diào)整以保持最佳鏡面形狀，它需要在夜間重新校準(zhǔn)，以達(dá)到完美的設(shè)定值，它需要每隔18個(gè)月重新編碼，以保持理想的平滑度和反射率。但如果你做了所有這些，你就會(huì)使用最優(yōu)的技術(shù)和儀器——從對(duì)光學(xué)的角度跟蹤到自適應(yīng)光學(xué)到成像方法——它有能力超越所有其他光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，無(wú)論是在地球上還是在太空中。這將是一個(gè)令人難以置信的技術(shù)成就，完成時(shí)需要持續(xù)的工作來(lái)維持。但我們從它所得到的科學(xué)將與我們的世界所見過(guò)的其他任何事物都不同。

在智利阿塔卡馬沙漠的一處3046米的山頂上，藝術(shù)家對(duì)巨型望遠(yuǎn)鏡(ELT)的印象。這臺(tái)39米長(zhǎng)的ELT將是世界上最大的光學(xué)/紅外望遠(yuǎn)鏡。圖片：ESO/L. Cal?ada

參考：NASA，ESO等