搜尋新的地球和宇宙的邊緣

2008年11月，人類第一次直接看到了圍繞其他恆星轉動的行星。儘管這是一個巨大的成就，但是這些行星都要比木星大得多，並且它們的軌道半徑都在24個天文單位到119個天文單位之間。這裡1個天文單位相當於地球到太陽的距離。

我們的夢想是直接看到那些非常靠近恆星、和地球相仿的行星。這就要求望遠鏡能透過恆星耀眼的光芒看到比2008年11月所看到的行星還要小3,000倍的天體。這即便對於目前世界上最大的10.4米西班牙加那利群島大型望遠鏡來說也是「不可能」的任務。但也許十年之內，三架巨型望遠鏡就能把「不可能」變成「可能」。

24.5米的巨麥哲倫望遠鏡（GMT）、三十米望遠鏡（TMT）和42米的歐洲特大望遠鏡（E-ELT）每一個都將能收集到來自太陽系外行星的光線，並且使得天文學家們能夠通過分光儀來研究它們大氣的組成。「在近鄰恆星的宜居帶中是否存在類地行星？這是一個我們非常想回答的問題，」在歐洲南方天文台為E-ELT工作的馬爾庫斯·基斯勒-帕提格（Markus Kissler-Patig）說。

通過測量其邊緣恆星的運動速度，這些望遠鏡也能用來研究星系中央的超大質量黑洞。現在的望遠鏡還只能對我們的銀河系的中央黑洞進行這樣的觀測。「有了TMT我們就能研究近距星系中的黑洞，」美國加州大學聖克魯茲分校的TMT科學家傑里·納爾遜（Jerry Nelson）說。

[圖片說明]：24.5米的巨麥哲倫望遠鏡（GMT）。版權：GMT官方網站。點擊查看大圖。

這三架望遠鏡甚至還能用來直接測量宇宙膨脹的速度。在過去的十年中，天文學家已經發現遙遠的超新星看上去要比預期的暗，這被認為是由宇宙加速膨脹造成的。但是這一解釋依賴於數學模型。但如果有了類似E-ELT這樣的望遠鏡，天文學家們就可以通過監測位於宇宙邊緣的明亮類星體來直接測量宇宙膨脹的速率。在這些類星體的光線射向我們的過程中會穿過星系團。每穿越一個星系團就會造成光線吸收或者紅移，由此就可以測量出星系的距離。通過研究這些類星體和星系團紅移隨時間的長期變化就能直接測量出宇宙膨脹的速率。

儘管這三架望遠鏡有著相同的目標，但它們會用截然不同的方式來實現它——要麼使用特殊設計的主鏡，要麼使用自適應光學技術來消除大氣湍流造成的模糊和閃爍。

建造任何望遠鏡的最主要挑戰都來自它的主鏡，而主鏡的大小直接決定瞭望遠鏡的解析度。望遠鏡的主鏡會收集來自遙遠天體的光線，然後把它們匯聚到望遠鏡的副鏡上，隨後副鏡會把光線聚焦並輸出到望遠鏡的探測器上。

[圖片說明]：三十米望遠鏡（TMT）。版權：TMT官方網站。點擊查看大圖。

由於過重而變得難以操縱，因此目前最大的單鏡面望遠鏡的主鏡直徑是8.4米。而且主鏡太厚的話也無法保證整塊鏡面能保持相同的溫度，由此就會破壞成像的質量。於是建造更大型望遠鏡的唯一辦法就是使用較小的鏡面來拼接成一個大鏡面。

GMT包含了7塊由類似派萊克斯耐熱玻璃製成的大型鏡面，且這些鏡面所具有的蜂窩結構可以使得其自身重量大大減輕。而經過溫度控制的空氣則會被輸送到這些蜂窩結構中，以此來使得整個鏡面能在20分鐘內達到熱平衡。想想1917年美國威爾遜山上的2.5米望遠鏡花了一整晚的時間來使得它厚達33厘米的主鏡達到熱平衡，這就已經是相當不錯的了。

受到夏威夷10米凱克望遠鏡成功的鼓勵，TMT和E-ELT將會採用比GMT更小得多的鏡面來拼接主鏡。除了更薄和更容易製造以外，使用小鏡面還有其他的好處。而它的缺點則是當望遠鏡移動時很難使得所有的鏡面都保持完美的排列形狀。這時候就需要邊界感測器來探測小鏡面之間的偏離，而大量的觸動器也會被用來調整拼接鏡面，使得主鏡的形狀能夠達到幾納米的精度。

此外另一項望遠鏡所必須的技術就是自適應光學。具有不同溫度並且運動速度也各異的大氣會扭曲望遠鏡所接收到的影像。

[圖片說明]：42米的歐洲特大望遠鏡（E-ELT）。版權：E-ELT官方網站。點擊查看大圖。

裝備有自適應光學系統的望遠鏡會檢測引導星或者是由激光在上層大氣中「打」出來的人造星。計算機軟體會比較觀測到的引導星或者人造星影像和理想影像之間的差異並由此計算出大氣對影像的擾動，然後使用變形鏡面來實時校正。這些變形鏡面位於光路的後端，非常薄且易於形變，大小通常為幾十厘米。它每秒鐘可形變50-100次，以此來補償大氣的擾動。

然而，如果安裝自適應光學系統就需要額外的鏡面，而每多一塊鏡面就會多吸收一些光子，造成進入後端探測器光子數量的減少。除此之外，額外的鏡面還會增加系統自身的熱雜訊，這會影響望遠鏡在紅外波段的觀測。

GMT對此的解決方案是把望遠鏡的副鏡做成變形鏡面。「這意味著你不會損失任何入射的光線，因為你本來就要使用副鏡來反射光線，」GMT成員、美國卡內基研究所天文台的帕特·麥卡錫（Pat McCarthy）說。但是副鏡太大了，要把它做成可形變鏡面的話著實是一項挑戰。考慮到這一點，E-ELT的設計者仍將採用位於光路末端的小鏡面，但不同的是他們會把自適應光學系統置於-30℃的環境中，以此來降低系統的熱雜訊。

雖然面臨各種各樣的挑戰，但這三架望遠鏡的團隊都力爭能在2017年讓他們的望遠鏡投入使用，以此把天文學和宇宙學領入新的紀元。「我們將深入以前從未到過的宇宙，」基斯勒-帕提格說，「發現以前絕對意想不到的新事物。」——[New Scientist] NS

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