新知 | 如何盤一架30米的望遠鏡?

中科院之聲2019-03-20 12:17:57

人類認識宇宙的歷史,也堪稱一部望遠鏡的發展史。光學、射電、高能、引力波、中微子等各類觀測手段的發展,好比人的眼耳鼻舌身五感在不斷加強。這其中光學望遠鏡的進步,便好比人類擁有了能夠看得更遠、更精微的眼睛。讓我們跟隨世界望遠鏡發展的腳步,一起到夏威夷莫納克亞峯來盤一架30米的望遠鏡。


圖1.三十米望遠鏡天文台

(圖片來源:www.tmt.org)


三十米望遠鏡是什麼?


名詞解釋:

三十米望遠鏡,英文名Thirty Meter Telescope, 簡稱TMT,是一台地基、光學-紅外、主鏡直徑為30米的下一代、旗艦級望遠鏡,其台址位於夏威夷莫納克亞峯。


劃重點:

地基,指的是TMT像大多數望遠鏡一樣建在地球表面上,而非在太空中運行。空間望遠鏡雖能不受地球大氣影響,但造價高昂。將6.5米的JWST送往太空所需花費,遠遠遠遠超過一台30米的地基望遠鏡。而在自適應光學系統的幫助下,地基望遠鏡也能抵禦大氣擾動影響,大大提升觀測能力(關於自適應光學系統,詳見“觀天者説-從功夫高手到絕地武士”)。


光學-紅外,指的是TMT的工作波段主要是光學和紅外波段(以及部分紫外波段)。


下一代,指的是TMT已在建設中,但尚未建成。按照目前情況推算,TMT大約將在2028年左右完成全部主體及第一代科學儀器建設,開始首光觀測。


旗艦級,指的是TMT將是開創望遠鏡的下一個時代,主宰未來數十年光學天文觀測的望遠鏡之一。


台址,TMT建設地點夏威夷莫納克亞峯,堪稱世界頂級天文觀測台址。由於原住民抗議,TMT經多年努力,方在2018年10月最終獲得土地使用權。


圖2.TMT剪影

(圖片來源:www.tmt.org)


比籃球場還大的主鏡


主鏡的口徑是一台光學望遠鏡最重要的代表性指標,望遠鏡的觀測能力、技術難度、成本造價都隨口徑增長而大幅提升。


TMT主鏡的直徑30米,作為對比,一個標準籃球場的尺寸是28*15米。想想看,這是一面比籃球場還要大得多的鏡子!這樣大的鏡面已不可能一體鑄就,而是採用492面1.44米的六角形非球面子鏡精密拼接而成。每一面子鏡的背後都有着複雜的支撐結構,可以按照要求對鏡面進行“微整形”,抵禦外界重力等變化的侵襲,達成“百鏡如一”“俯仰不動”的成就。


圖3.TMT主鏡及與籃球場對比圖

(圖片來源:www.tmt.org)


或者有人會問,FAST這樣500米口徑的望遠鏡都已經建成了,區區30米的望遠鏡又有何難?還真非常難!這兩者的工作波長不一樣,建設難度不能以口徑來簡單比較。舉個例子,望遠鏡主鏡的加工精度一般和觀測波長在同一個量級,FAST是射電望遠鏡,反射面精度要求大約分米級,而TMT是光學望遠鏡,鏡面的加工精度需要達到10-7米——一根頭髮絲直徑的百分之一。


30米的望遠鏡能幹嘛?


人為什麼要登山?因為山在那裏。


人為什麼要建設更大的望遠鏡?因為宇宙在那裏。


我們總愛問一台望遠鏡能看多“遠”,但其實,拋開“目標亮度”奢談“觀測距離”等於耍流氓。對望遠鏡而言,每當口徑增大一倍,對同樣亮度的天體目標,我們就能看得更遠一倍。TMT的口徑是當前最大望遠鏡的3倍,那麼同樣的亮度的天體,它能探測此前3倍遠的距離。


除了距離以外,我們還會問望遠鏡能看得多清晰,稱之為“分辨率”。望遠鏡的口徑每增大一倍,它就能分辨的細節尺度就可以小一半。不同於射電波段的綜合孔徑技術能將放置在不同位置的小型望遠鏡組合成一面“超級”望遠鏡來增強分辨率,光學波段的干涉觀測技術尚不很成熟,多數望遠鏡還是要依靠增大主鏡口徑的方法來增強自身分辨觀測細節的能力。30米的望遠鏡,能讓我們看得前所未有的清晰。


圖4.銀河系中心黑洞周圍恆星觀測圖。10米凱克望遠鏡+當前自適應光學系統、10米凱克望遠鏡+下一代自適應光學系統、30米望遠鏡+下一代自適應光學系統的清晰度對比。

(圖片來源:http://www.astro.ucla.edu/~ghezgroup/gc/videos/tmt_anim_3panel_still.jpg)


望遠鏡口徑增大所帶給我們觀測能力上的提升是全方位的。從暗物質、暗能量到星系、黑洞、星際介質、星雲、恆星、系外行星、地外生命,天文學的幾乎所有研究領域都將從中受益。2.5米的望遠鏡能夠發現宇宙在膨脹,10米級的望遠鏡證明了宇宙在加速膨脹(2011年諾貝爾物理學獎),30米的望遠鏡又能帶給我們什麼呢?也許是關於宇宙終極命運的啟示,也許是暗物質暗能量的真相,也許是黑洞與星系相互作用的奧祕,也許是地外生命的跡象,也許是第二地球的發現,更也許是那些人類還“不知道自己不知道”的宇宙祕密……(欲知詳情,且看TMT Detailed Science Case: 2015)


圖5.TMT科學目標

(圖片來源:www.tmt.org)


誰在盤這樣一台望遠鏡?


諸如TMT這樣的巨型望遠鏡技術難度高,投資更高達10億美元以上,哪個國家也難以獨自承擔。作為人類共同的探索事業,三台下一代30米級望遠鏡(另外兩台分別為25米的巨型麥哲倫望遠鏡和39米的歐洲極大望遠鏡)都是國際合作的產物。


TMT國際天文台的建設各方包括:美國加州大學、加州理工學院、日本國立天文台、中國國家天文台、印度科技部和加拿大國家研究委員會。


作為一台團結的望遠鏡、合作的望遠鏡,建設方各展神威承擔一部分望遠鏡的建設工作。我國正在開展的研發就有:拼接鏡面子鏡單元製備(國家天文台南京天文光學技術研究所)、巨型能動科學轉向鏡(Giant Steerable Science Mirror,簡稱GSSM)全系統設計製造(長春光學精密機械與物理研究所)、激光器與激光導星系統(理化技術研究所、光電技術研究所)、科學儀器寬視場光學光譜儀(Wide-Field Optical Spectrometer,簡稱WFOS))和紅外成像光譜儀(Infrared Imaging Spectrograph,簡稱IRIS)的多個子任務(南京天文光學技術研究所、中國科學技術大學、國家天文台、上海光學精密機械研究所、長春光學精密機械與物理研究所等等)、科學儀器製冷系統(理化技術研究所)、第二代科學儀器高分辨率光學光譜儀(High Resolution Optical Spectrograph,簡稱HROS)和中紅外成像光譜儀(Mid-IR Camera, High-disperser & IFU spectrograph,簡稱MICHI)(十餘家科研院所和大學參與)等等。


圖6.TMT建設國際分工圖

(圖片來源:www.tmt.org)


別看TMT現在“乾乾巴巴的,麻麻賴賴的”,5個國家幾十個研究機構通力合作再盤它10年,這顆圓潤潤的大眼睛就將睜開,帶我們領略宇宙更深處、更精微處的奧祕與風光。


圖7.TMT夜晚觀測圖,激光導星自適應光學系統正在工作

(圖片來源:www.tmt.org)


來源:中國科學院國家天文台


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