地面上的望遠(yuǎn)鏡，比太空里的哈勃還強(qiáng)？
3 月中旬，巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡宣布已經(jīng)完成了第六塊鏡子的熔鑄。這個(gè)曾經(jīng)因工程量巨大而引起擔(dān)憂的巨型地面工程，在建成的路上再次邁出重要一步，讓人更加期待它投入使用的那一天。
巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡（Giant Madellan Telescope），簡(jiǎn)稱 GMT，屬于地基極端巨大望遠(yuǎn)鏡，位于智利的拉斯卡姆帕納斯天文臺(tái)。作為一個(gè)全球性的科學(xué)項(xiàng)目，參與方包括美國(guó)、巴西、韓國(guó)、澳大利亞等，自 2015 年開始動(dòng)工以來(lái)一直備受關(guān)注，目前耗資已經(jīng)達(dá) 10 億美元。
巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡（Giant Madellan Telescope），圖來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)
據(jù)該項(xiàng)目的相關(guān)人員介紹，投入使用后，GMT 捕捉到的圖像將比哈勃太空望遠(yuǎn)鏡清晰 10 倍，同時(shí)會(huì)比人們期待已久的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡清晰 4 倍。
哈勃望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)在外太空，已經(jīng)服役 30 年，不斷為人類傳送回許多讓人嘆為觀止的遙遠(yuǎn)恒星和星系的圖像，如今快要退休的它，一度被認(rèn)為是最強(qiáng)的空間望遠(yuǎn)鏡，而 NASA 耗資 100 億美元的「詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡」則被認(rèn)為是比哈勃更強(qiáng)的接班人。
巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡比這兩位太空望遠(yuǎn)鏡還強(qiáng)是什么概念？
意味著從地面上看星星，將比在宇宙飛船上看星星還要清晰。
從地面到太空
作為人們與未知星空的連接橋梁，望遠(yuǎn)鏡的功能從誕生之初，就是幫助天文學(xué)家觀測(cè)未知的宇宙，要看的遠(yuǎn)，還要看的清晰。
1609 年，伽利略制作了一架口徑 4.2 厘米的望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)到了凹凸不平的月球表面。這是世界上第一臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡，開辟了天文學(xué)的新時(shí)代，在今后的發(fā)展過(guò)程中，天文望遠(yuǎn)鏡按照不同波長(zhǎng)和不同的設(shè)計(jì)和運(yùn)作方式，可分為：射電望遠(yuǎn)鏡、紅外線望遠(yuǎn)鏡、光學(xué)望遠(yuǎn)鏡等。
射電望遠(yuǎn)鏡比如中國(guó)天眼，接收的是肉眼不可見的的射電波段，而光學(xué)望遠(yuǎn)鏡比如 GMT 和哈勃，則是接收可見光波段，形成具體的可視圖像。值得一提的是，哈勃望遠(yuǎn)鏡在接收可見光的同時(shí)，還能觀測(cè)到部分的紅外和紫外光線。因?yàn)椴东@的光的波長(zhǎng)的范圍與人眼相近，更接近人眼觀察特點(diǎn)，我們目前看到的絢麗多彩的宇宙圖像，大部分都來(lái)自光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。
但想要看到更清晰的宇宙，從地面觀察受限太多：地面和太空之間存在著一道天然屏障——大氣層，這是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡自誕生以來(lái)就一直面臨的問(wèn)題。
初中地理知識(shí)：大氣層會(huì)吸收并且反射絕大多數(shù)來(lái)自太空中的紫外線、紅外線等各種電磁輻射，只有可見光，少數(shù)紅外線和射電波可以穿過(guò)大氣層到達(dá)地球表面。加上大氣層的流動(dòng)循環(huán)，人們只能不斷選擇在更高的海拔，找尋更稀薄的云層，利用更好的觀測(cè)條件來(lái)建造天文臺(tái)。
1946 年，在望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)的 300 年后，美國(guó)天文學(xué)家萊曼斯必策提出「如果人類能夠把天文望遠(yuǎn)鏡放在太空中，那么人類就有了一雙更厲害的眼睛，能夠看的更遠(yuǎn)」。隨后，航天技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這一設(shè)想最終變成現(xiàn)實(shí)，人類開始將望遠(yuǎn)鏡送入太空。
在隨后的幾十年中，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡問(wèn)世，由于資金等問(wèn)題，口徑從最初的預(yù)計(jì)的 3 米縮短至了 2.4 米，發(fā)射時(shí)間也不斷推遲。1990 年，發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)最終將哈勃望遠(yuǎn)鏡送上了太空，帶著探測(cè)宇宙深空，解開宇宙起源之謎的任務(wù)，哈勃在近地軌道一直運(yùn)行至今。
位于地球上空約 583 公里的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，圖來(lái)源于視覺中國(guó)
太空望遠(yuǎn)鏡是一座人類天文史上的里程碑，這相當(dāng)于將眼睛直接放到太空，打開了全新的宇宙窗口，成功彌補(bǔ)了地面觀測(cè)的不足。目前哈勃的超深空現(xiàn)場(chǎng)則是天文學(xué)家目前所能獲得的最敏銳和深入的光學(xué)影像，是可見光影像中宇宙的最深處。而目前最有可能成為老兵哈勃的繼任者的詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡的主鏡口徑為 6.5 米，是哈勃望遠(yuǎn)鏡的 2.7 倍以上，聚集能力是哈勃的 6 倍，理論上，韋伯望遠(yuǎn)鏡甚至可以目睹宇宙的第一縷光芒。
耗資巨大，被認(rèn)為是天文學(xué)未來(lái)的太空望遠(yuǎn)鏡，如今要被地面工程趕超了？
地面上的巨人家族
GMT 為什么這么強(qiáng)？因?yàn)樗鼔虼蟆?/span>
對(duì)于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡而言，想要看到更遠(yuǎn)更暗的地方，就需要更強(qiáng)的集光能力，也就是更大口徑的鏡子。但太空望遠(yuǎn)鏡的高成本、運(yùn)輸承載能力等技術(shù)限制，更大口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡目前只能建在地面。
從 20 世紀(jì) 80 年代開始，國(guó)際上掀起了制造新一代大型望遠(yuǎn)鏡熱潮，地基望遠(yuǎn)鏡中的巨人家族計(jì)劃問(wèn)世。極大望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃，指的是天文臺(tái)使用的直徑大于 20 米的望遠(yuǎn)鏡。包括在建中的 39 米口徑的歐洲極大望遠(yuǎn)鏡（E-ELT）和位于夏威夷的 30 米口徑望遠(yuǎn)鏡（TMT）等。
作為巨人家族其中一員，巨型麥哲倫只能排老三。
GMT 包含七個(gè)直徑 8.4 米的主鏡，一片中央主鏡片，6 片離軸鏡片，像花朵一樣的排列方式，6 個(gè)環(huán)繞在四周的鏡片能夠觀察到中心鏡片不能觀察到的任何角度的光線。因此，這種設(shè)計(jì)令這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡將形成 24.5 米直徑的集光區(qū)域，這樣的集光能力足以在近 160 公里（100 英里）外看到刻在硬幣上的火炬。而如今地面上最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是凱克 10 米級(jí)望遠(yuǎn)鏡，可以從 10 公里外讀出報(bào)紙上的標(biāo)題文字。
麥哲倫巨型望遠(yuǎn)鏡片排列方式效果圖，圖來(lái)源于 GMT 官網(wǎng)
如此大的鏡片，制造時(shí)間相當(dāng)漫長(zhǎng)，剛鑄造完成的第六面鏡子，站在邊緣時(shí)約有兩層樓高，為 GMT 進(jìn)行鏡子制作的是亞利桑那大學(xué)鏡頭實(shí)驗(yàn)室——世界上最大的望遠(yuǎn)鏡鏡頭制造領(lǐng)軍者。純手工制作的每一面鏡子，都需要 20 噸硼硅鹽酸玻璃來(lái)鑄造，耗費(fèi)將近三個(gè)月的時(shí)間鑄造完成后，還需要大約 6 個(gè)月的時(shí)間來(lái)冷卻。隨后需要經(jīng)歷耗時(shí)兩年的拋光過(guò)程，彎曲成一個(gè)精確的形狀。最終使得每一面鏡子的表面光學(xué)精度小于人類頭發(fā)寬度的千分之一，新冠病毒顆粒的 5 分之一。
其實(shí)從 17 世紀(jì)開始，人們一直在追求更大的口徑。
但傳統(tǒng)方法下的大口徑受到當(dāng)時(shí)的技術(shù)限制，制作出的鏡片十分厚重，為了維持表面形狀，避免自重過(guò)大等原因帶來(lái)的變形，口徑也相應(yīng)受到限制。
80 年代后，更輕薄的鏡面制作、分割鏡面以及主動(dòng)光學(xué)技術(shù)出現(xiàn)。薄鏡面主動(dòng)光學(xué)就是用一個(gè)動(dòng)態(tài)支撐系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行控制主鏡形狀，通過(guò)改變主鏡形狀來(lái)補(bǔ)償由于外界力量，像風(fēng)、重力等帶來(lái)的扭曲，從而維持最佳成像狀態(tài)。從此，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡有了向更大口徑前進(jìn)的條件。
躲過(guò)了口徑上的限制，是所有地面望遠(yuǎn)鏡都會(huì)遇到的問(wèn)題——大氣。同樣的，口徑越大，集光過(guò)程中受大氣湍流的影響也就越大，眼前的「霧霾」會(huì)更重。對(duì)此，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的出現(xiàn)則相當(dāng)于給望遠(yuǎn)鏡戴上了一副矯正「眼鏡」。自適應(yīng)光學(xué)是一種智能的精密儀器，系統(tǒng)中的波前傳感器可用于檢測(cè)光波的失真，然后再對(duì)圖像實(shí)時(shí)計(jì)算和校準(zhǔn)，鏡片的厚度可以自動(dòng)變形，用來(lái)應(yīng)對(duì)地面望遠(yuǎn)鏡遇到的大氣湍流問(wèn)題。
巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡其中一面鏡子正在制作中，圖來(lái)源于 GMT 官網(wǎng)
極大望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃中的這些「巨人」全都采用分割式鏡片來(lái)組成主鏡，配備更強(qiáng)的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，用來(lái)減少由于大氣層干擾引起的圖像失真，捕捉到比目前更清晰的星體圖像。
目前 39 米口徑的歐洲極大望遠(yuǎn)鏡和位于夏威夷的 30 米望遠(yuǎn)鏡都正在建造中，因?yàn)楣こ塘烤薮?，加上新冠疫情的影響，預(yù)計(jì)完工時(shí)間在不斷推遲。雖然排行老三，但作為巨人家族中第一臺(tái)開始施工，也是完成進(jìn)度最高的超大型地面望遠(yuǎn)鏡，巨型麥哲倫如果按計(jì)劃順利投入使用，將成為世界上最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。
仰望星空
距離人類第一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡發(fā)明至今，已經(jīng)有 400 多年。
在漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程中，從單片發(fā)展到多片，從地面觀測(cè)發(fā)展到上天巡視，從最初只有 4.2 厘米，到如今"世界上最大的天文望遠(yuǎn)鏡"的稱號(hào)數(shù)易其主。不僅是利用人眼可見的可見光進(jìn)行觀測(cè)，現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡同時(shí)利用了射電波和×射線來(lái)探測(cè)宇宙的奧秘，但不論是地面望遠(yuǎn)鏡還是太空望遠(yuǎn)鏡，射電望遠(yuǎn)鏡還是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡等等，它們最終的目標(biāo)都是浩瀚的宇宙。
告別過(guò)去人們只能用肉眼進(jìn)行天文觀測(cè)，望遠(yuǎn)鏡成了人類探索宇宙最有效的電子「眼睛」。
太空望遠(yuǎn)鏡曾經(jīng)一度打破了人類對(duì)宇宙的認(rèn)知，那些夜空中人眼無(wú)法觀測(cè)到的灰暗部分，被拍攝成清晰的圖片傳回地球，引來(lái)一片驚呼，但是這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
3 月 7 日，NASA 對(duì)外官宣稱哈勃望遠(yuǎn)鏡在再一次進(jìn)入了安全模式。外界一直好奇哈勃究竟還能正常運(yùn)行多久，可以肯定的是已經(jīng)超額完成任務(wù)的它離退休不遠(yuǎn)了。與此同時(shí)，詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡迎來(lái)好消息：已經(jīng)完成了最終的功能測(cè)試，預(yù)計(jì)將在今年 10 月份發(fā)射。這個(gè) NASA 和歐空局最初預(yù)算 5 億，最終完工耗資將近 100 億美元的太空望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目，盡管發(fā)射時(shí)間一再推遲，但它將會(huì)幫助我們洞察宇宙的過(guò)去：從大爆炸之后的第一縷光，到銀河系的形成和演變。
巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡渲染圖，圖來(lái)源于 GMT 官網(wǎng)
而目前預(yù)計(jì) 2029 年投入使用的 GMT 也將會(huì)透過(guò)朦朧的大氣層，在加速膨脹的茫茫宇宙中，擔(dān)負(fù)探尋宇宙中恒星和行星系的生成、黑洞和暗物質(zhì)的奧秘，以及銀河系的起源等重任。
當(dāng)?shù)谝慌鼗鶚O大望遠(yuǎn)鏡投入使用，將會(huì)是人類探索宇宙進(jìn)程中的一次巨大飛躍。人們可以從地面出發(fā)，看清更多外太空的奧秘。
我們是宇宙中唯一的智慧生物嗎？最初的星系是怎么形成的？宇宙最終將走向何方？不知道第一個(gè)仰望星空的人類，心中是否也帶著這樣的疑惑。
探索外太空奧秘的腳步，從地面到太空，從試圖登天的萬(wàn)戶，到如今好奇號(hào)登上火星，太空酒店概念誕生，下一步將會(huì)是如何，沒有人有確切的答案。但可以肯定的是，不斷發(fā)展的人類文明，將會(huì)探測(cè)到龐大神秘的宇宙中更多的色彩。
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