大口徑望遠(yuǎn)鏡的創(chuàng)新嘗試

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。

制造大口徑望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)瓶頸

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。

大口徑望遠(yuǎn)鏡創(chuàng)新嘗試

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

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。

MMT的工作原理

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。