地面光学望远镜 VS 太空光学望远镜:巨型麦哲伦与詹姆斯韦伯掰手腕,只有哈勃在挨揍

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2021-03-29 19:55

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。

▲ 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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