地面光学望远镜 VS 太空光学望远镜:巨型麦哲伦、詹姆斯韦伯秀肌肉,只有哈勃在挨揍

2021/3/28 20:49:58 来源:极客公园 作者:脸脸 责编:姜戈

3 月中旬,巨型麦哲伦望远镜宣布已经完成了第六块镜子的熔铸。这个曾经因工程量巨大而引起担忧的巨型地面工程,在建成的路上再次迈出重要一步,让人更加期待它投入使用的那一天。

巨型麦哲伦望远镜(Giant Madellan Telescope),简称 GMT,属于地基极端巨大望远镜,位于智利的拉斯卡姆帕纳斯天文台。作为一个全球性的科学项目,参与方包括美国、巴西、韩国、澳大利亚等,自 2015 年开始动工以来一直备受关注,目前耗资已经达 10 亿美元。

据该项目的相关人员介绍,投入使用后,GMT 捕捉到的图像将比哈勃太空望远镜清晰 10 倍,同时会比人们期待已久的詹姆斯韦伯太空望远镜清晰 4 倍

哈勃望远镜远在外太空,已经服役 30 年,不断为人类传送回许多让人叹为观止的遥远恒星和星系的图像,如今快要退休的它,一度被认为是最强的空间望远镜,而 NASA 耗资 100 亿美元的「詹姆斯韦伯太空望远镜」则被认为是比哈勃更强的接班人

从地面到太空

作为人们与未知星空的连接桥梁,望远镜的功能从诞生之初,就是帮助天文学家观测未知的宇宙,要看的远,还要看的清晰。

1609 年,伽利略制作了一架口径 4.2 厘米的望远镜,观测到了凹凸不平的月球表面。这是世界上第一台天文望远镜,开辟了天文学的新时代,在今后的发展过程中,天文望远镜按照不同波长和不同的设计和运作方式,可分为:射电望远镜、红外线望远镜、光学望远镜等

射电望远镜比如中国天眼,接收的是肉眼不可见的的射电波段,而光学望远镜比如 GMT 和哈勃,则是接收可见光波段,形成具体的可视图像。值得一提的是,哈勃望远镜在接收可见光的同时,还能观测到部分的红外和紫外光线。因为捕获的光的波长的范围与人眼相近,更接近人眼观察特点,我们目前看到的绚丽多彩的宇宙图像,大部分都来自光学望远镜

但想要看到更清晰的宇宙,从地面观察受限太多:地面和太空之间存在着一道天然屏障——大气层,这是光学望远镜自诞生以来就一直面临的问题,

初中地理知识:大气层会吸收并且反射绝大多数来自太空中的紫外线、红外线等各种电磁辐射,只有可见光,少数红外线和射电波可以穿过大气层到达地球表面。加上大气层的流动循环,人们只能不断选择在更高的海拔,找寻更稀薄的云层,利用更好的观测条件来建造天文台。

1946 年,在望远镜出现的 300 年后,美国天文学家莱曼斯必策提出「如果人类能够把天文望远镜放在太空中,那么人类就有了一双更厉害的眼睛,能够看的更远」。随后,航天技术的进一步发展,这一设想最终变成现实,人类开始将望远镜送入太空。

在随后的几十年中,哈勃太空望远镜问世,由于资金等问题,口径从最初的预计的 3 米缩短至了 2.4 米,发射时间也不断推迟。1990 年,发现号航天飞机最终将哈勃望远镜送上了太空,带着探测宇宙深空,解开宇宙起源之谜的任务,哈勃在近地轨道一直运行至今。

太空望远镜是一座人类天文史上的里程碑,这相当于将眼睛直接放到太空,打开了全新的宇宙窗口,成功弥补了地面观测的不足。目前哈勃的超深空现场则是天文学家目前所能获得的最敏锐和深入的光学影像,是可见光影像中宇宙的最深处。而目前最有可能成为老兵哈勃的继任者的詹姆斯韦伯望远镜的主镜口径为 6.5 米,是哈勃望远镜的 2.7 倍以上,聚集能力是哈勃的 6 倍,理论上,韦伯望远镜甚至可以目睹宇宙的第一缕光芒。

耗资巨大,被认为是天文学未来的太空望远镜,如今要被地面工程赶超了?

地面上的巨人家族

GMT 为什么这么强?因为它够大

对于光学望远镜而言,想要看到更远更暗的地方,就需要更强的集光能力,也就是更大口径的镜子。但太空望远镜的高成本、运输承载能力等技术限制,更大口径的光学望远镜目前只能建在地面

从 20 世纪 80 年代开始,国际上掀起了制造新一代大型望远镜热潮,地基望远镜中的巨人家族计划问世。极大望远镜计划,指的是天文台使用的直径大于 20 米的望远镜。包括在建中的 39 米口径的欧洲极大望远镜(E-ELT)和位于夏威夷的 30 米口径望远镜(TMT)等。

作为巨人家族其中一员,巨型麦哲伦只能排老三。

GMT 包含七个直径 8.4 米的主镜,一片中央主镜片,6 片离轴镜片,像花朵一样的排列方式,6 个环绕在四周的镜片能够观察到中心镜片不能观察到的任何角度的光线。因此,这种设计令这台望远镜将形成 24.5 米直径的集光区域,这样的集光能力足以在近 160 公里(100 英里)外看到刻在硬币上的火炬。而如今地面上最大的光学望远镜是凯克 10 米级望远镜,可以从 10 公里外读出报纸上的标题文字。

▲ 麦哲伦巨型望远镜片排列方式效果图 | GMT 官网

如此大的镜片,制造时间相当漫长,刚铸造完成的第六面镜子,站在边缘时约有两层楼高,为 GMT 进行镜子制作的是亚利桑那大学镜头实验室——世界上最大的望远镜镜头制造领军者。纯手工制作的每一面镜子,都需要 20 吨硼硅盐酸玻璃来铸造,耗费将近三个月的时间铸造完成后,还需要大约 6 个月的时间来冷却。随后需要经历耗时两年的抛光过程,弯曲成一个精确的形状。最终使得每一面镜子的表面光学精度小于人类头发宽度的千分之一,新冠病毒颗粒的 5 分之一。

其实从 17 世纪开始,人们一直在追求更大的口径。

但传统方法下的大口径受到当时的技术限制,制作出的镜片十分厚重,为了维持表面形状,避免自重过大等原因带来的变形,口径也相应受到限制。

80 年代后,更轻薄的镜面制作、分割镜面以及主动光学技术出现。薄镜面主动光学就是用一个动态支撑系统来进行控制主镜形状,通过改变主镜形状来补偿由于外界力量,像风、重力等带来的扭曲,从而维持最佳成像状态。从此,光学望远镜有了向更大口径前进的条件。

躲过了口径上的限制,但躲不过所有地面望远镜都会遇到的问题——大气。同样的,口径越大,集光过程中受大气湍流的影响也就越大,眼前的「雾霾」会更重。对此,自适应光学系统的出现则相当于给望远镜戴上了一副矫正「眼镜」。自适应光学是一种智能的精密仪器,系统中的波前传感器可用于检测光波的失真,然后再对图像实时计算和校准,镜片的厚度可以自动变形,用来应对地面望远镜遇到的大气湍流问题。

▲ 巨型麦哲伦望远镜其中一面镜子正在制作中 | GMT 官网

极大望远镜计划中的这些「巨人」全都采用分割式镜片来组成主镜,配备更强的自适应光学系统,用来减少由于大气层干扰引起的图像失真,捕捉到比目前更清晰的星体图像。

目前 39 米口径的欧洲极大望远镜和位于夏威夷的 30 米望远镜都正在建造中,因为工程量巨大,加上新冠疫情的影响,预计完工时间在不断推迟。虽然排行老三,但作为巨人家族中第一台开始施工,也是完成进度最高的超大型地面望远镜,巨型麦哲伦如果按计划顺利投入使用,将成为世界上最大的光学望远镜

仰望星空

距离人类第一台望远镜发明至今,已经有 400 多年。

在漫长的发展过程中,从单片发展到多片,从地面观测发展到上天巡视,从最初只有 4.2 厘米,到如今 "世界上最大的天文望远镜" 的称号数易其主。不仅是利用人眼可见的可见光进行观测,现代望远镜同时利用了射电波和 × 射线来探测宇宙的奥秘,但不论是地面望远镜还是太空望远镜,射电望远镜还是光学望远镜等等,它们最终的目标都是浩瀚的宇宙。

告别过去人们只能用肉眼进行天文观测,望远镜成了人类探索宇宙最有效的电子「眼睛」。

太空望远镜曾经一度打破了人类对宇宙的认知,那些夜空中人眼无法观测到的灰暗部分,被拍摄成清晰的图片传回地球,引来一片惊呼,但是这还远远不够。

3 月 7 日,NASA 对外官宣称哈勃望远镜在再一次进入了安全模式。外界一直好奇哈勃究竟还能正常运行多久,可以肯定的是已经超额完成任务的它离退休不远了。

与此同时,詹姆斯韦伯望远镜迎来好消息:已经完成了最终的功能测试,预计将在今年 10 月份发射。这个 NASA 和欧空局最初预算 5 亿,最终完工耗资将近 100 亿美元的太空望远镜项目,尽管发射时间一再推迟,但它将会帮助我们洞察宇宙的过去:从大爆炸之后的第一缕光,到银河系的形成和演变。

▲ 巨型麦哲伦望远镜渲染图 | GMT 官网

而目前预计 2029 年投入使用的 GMT 也将会透过朦胧的大气层,在加速膨胀的茫茫宇宙中,担负探寻宇宙中恒星和行星系的生成、黑洞和暗物质的奥秘,以及银河系的起源等重任。

当第一批地基极大望远镜投入使用,将会是人类探索宇宙进程中的一次巨大飞跃。人们可以从地面出发,看清更多外太空的奥秘。

  • 我们是宇宙中唯一的智慧生物吗?

  • 最初的星系是怎么形成的?

  • 宇宙最终将走向何方?

不知道第一个仰望星空的人类,心中是否也带着这样的疑惑。

探索外太空奥秘的脚步,从地面到太空,从试图登天的万户,到如今好奇号登上火星,太空酒店概念诞生,下一步将会是如何,没有人有确切的答案。但可以肯定的是,不断发展的人类文明,将会探测到庞大神秘的宇宙中更多的色彩

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关键词:望远镜哈勃

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