郭紅鋒
宇宙是浩瀚的,宇宙奧秘是無限的,天文觀測(cè)所需要的望遠(yuǎn)鏡口徑也是越大越好,但望遠(yuǎn)鏡口徑繼續(xù)增大在實(shí)際制造中卻遇到越來越多的困難。望遠(yuǎn)鏡口徑增大帶來的問題是主鏡大自重也大,因而支撐鏡筒的部件和轉(zhuǎn)動(dòng)的部件,以及方方面面的部件都隨之增大,控制運(yùn)行十分困難,矯正變形也非常不易,以至于大口徑望遠(yuǎn)鏡在技術(shù)上做得出來但設(shè)計(jì)效果難以達(dá)到(類似蘇聯(lián)的6米反射望遠(yuǎn)鏡)。
山重水復(fù)疑無路,柳暗花明又一村??茖W(xué)探索的道路也是一樣,好像望遠(yuǎn)鏡口徑擴(kuò)大的路已經(jīng)走到了盡頭,但創(chuàng)新的路就在腳下。
在我們的望遠(yuǎn)鏡系列故事里談到,天文望遠(yuǎn)鏡的第一指標(biāo)是口徑。自從發(fā)明望遠(yuǎn)鏡以來,天文學(xué)家就致力于建造更大口徑的望遠(yuǎn)鏡,以期看到更暗弱的天體和更遙遠(yuǎn)的宇宙。
傳統(tǒng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的口徑從1609年伽利略望遠(yuǎn)鏡的幾厘米口徑,不斷擴(kuò)大到1948年海爾望遠(yuǎn)鏡的5.08米口徑,達(dá)到了單口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的極限。雖然在1975年,蘇聯(lián)建造了結(jié)構(gòu)類似、口徑6米的反射望遠(yuǎn)鏡,但其觀測(cè)效果并沒有海爾望遠(yuǎn)鏡好。因此,直到現(xiàn)在人們一直稱海爾望遠(yuǎn)鏡為傳統(tǒng)反射望遠(yuǎn)鏡的極限,就如同葉凱士望遠(yuǎn)鏡是折射望遠(yuǎn)鏡的極限一樣。
其實(shí),望遠(yuǎn)鏡從發(fā)明以后就經(jīng)歷了不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新,比如開普勒改進(jìn)了伽利略望遠(yuǎn)鏡,使其視場(chǎng)更大,觀測(cè)更方便;牛頓改進(jìn)了望遠(yuǎn)鏡的光路,制作出了反射望遠(yuǎn)鏡,使光路在鏡筒里轉(zhuǎn)折,鏡筒變短,有利于造大望遠(yuǎn)鏡;卡塞格林改進(jìn)了牛頓望遠(yuǎn)鏡的輸出光路,大大方便了現(xiàn)代大型反射望遠(yuǎn)鏡及其后端設(shè)備的使用;施密特優(yōu)化了折射鏡和反射鏡的參數(shù),制成了折反射望遠(yuǎn)鏡,解決了望遠(yuǎn)鏡大口徑和大視場(chǎng)之間的矛盾,等等?,F(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡發(fā)展出很多新品種和新類型,但殊途同歸,都是為了更有效地接收宇宙天體輻射來的信息。
多鏡面望遠(yuǎn)鏡(Mult iple Mir rorTelescope,簡(jiǎn)稱MMT)是20世紀(jì)70年代發(fā)展的以“化整為零”為理念,用多個(gè)小口徑等效一個(gè)大口徑望遠(yuǎn)鏡的嘗試。MMT項(xiàng)目將多臺(tái)小望遠(yuǎn)鏡安裝在同一個(gè)固定的鏡架上(即一架多鏡),使它們整體一起運(yùn)動(dòng),同時(shí)指向同一個(gè)目標(biāo),然后把各臺(tái)小望遠(yuǎn)鏡接收到的光束引到一個(gè)公共焦點(diǎn)上,經(jīng)過光束合成處理,得到目標(biāo)的像,達(dá)到一架等效的大口徑望遠(yuǎn)鏡的成像效果。MMT 的設(shè)計(jì)理念突破了大口徑望遠(yuǎn)鏡的制造瓶頸,這個(gè)創(chuàng)新理念影響了后世大口徑望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展方向。
為了保證各臺(tái)小望遠(yuǎn)鏡的步調(diào)一致、協(xié)同運(yùn)動(dòng),以及光束合成的準(zhǔn)確性,MMT在指向和跟蹤天體的全過程中,望遠(yuǎn)鏡的安裝鏡架必須高度穩(wěn)定,各臺(tái)小望遠(yuǎn)鏡的鏡筒還必須高度自動(dòng)控制。在觀測(cè)時(shí),每一臺(tái)小望遠(yuǎn)鏡的鏡筒實(shí)際位置都要由專門的激光束來測(cè)定,并將測(cè)定結(jié)果實(shí)時(shí)反饋給主控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī),由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制和調(diào)整,保證各臺(tái)小望遠(yuǎn)鏡筒自始至終指向同一目標(biāo),最終目的是使光束合成后的星像達(dá)到等效大望遠(yuǎn)鏡的效果。
世界上第一架多鏡面望遠(yuǎn)鏡是在1971年由美國史密森研究所霍普金斯天文臺(tái)和亞利桑那大學(xué)聯(lián)合研制的,于1979年投入使用,1998年退役。望遠(yuǎn)鏡的原始結(jié)構(gòu)由6臺(tái)“獨(dú)立”的小型望遠(yuǎn)鏡筒,安裝在同一支撐結(jié)構(gòu)上的圓形陣列中。6臺(tái)望遠(yuǎn)鏡都有一個(gè)直徑為1.8米的主鏡和各自的副鏡。因?yàn)樗鼈兌及惭b在同一個(gè)鏡架結(jié)構(gòu)上,所以能夠一致地指向同一個(gè)天空區(qū)域。每一臺(tái)小望遠(yuǎn)鏡收集的光都通過光學(xué)技術(shù)合成起來,實(shí)現(xiàn)了4.5米口徑望遠(yuǎn)鏡的有效收集面積。在1979 年投入使用時(shí),它成為當(dāng)時(shí)世界上第三大光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。
MMT是第一個(gè)利用這種創(chuàng)新理念設(shè)計(jì)大口徑望遠(yuǎn)鏡的嘗試,被用作開創(chuàng)性科學(xué)技術(shù)的試驗(yàn)臺(tái),它不僅驗(yàn)證了制造多臺(tái)小望遠(yuǎn)鏡比制造一臺(tái)大望遠(yuǎn)鏡容易得多,而且由于結(jié)構(gòu)緊湊使得安裝望遠(yuǎn)鏡的建筑規(guī)模也要小得多,當(dāng)然各種費(fèi)用和造價(jià)也節(jié)省得多。
后面我們會(huì)介紹更多具有創(chuàng)新理念的現(xiàn)代大口徑望遠(yuǎn)鏡,這些大型科學(xué)裝置,正源源不斷地為我們帶來宇宙深處的信息,讓我們理解宇宙運(yùn)行的原理,洞悉宇宙演化的奧秘。