世界上最大的光學望遠鏡正在準備完成

【博科園-科學科普】如果你想了解更多關於宇宙的知識，你可以做的只有這麼多，可以改善你的光學和視覺系統使你的鏡子比以前更平滑和更無缺陷。你可以通過自適應光學或優化天文台的位置來改善條件。也可以使用相機/ CCD/ grism技術使你的望遠鏡能夠收集到的每一個光子。主鏡越大，就能越深，越快，解析度越高也就能在宇宙中看到更多東西。

這個藝術圖顯示了在智利北部的Cerro armazone的一個非常大的望遠鏡的夜景。該望遠鏡使用激光在大氣中製造出人造恆星。圖片版權：ESO/L. Cal?ada

目前世界上有許多10米(33英尺)直徑的光學望遠鏡，巨大的麥哲倫望遠鏡25米(82英尺)，在短短几年內就打破了這一記錄。但一個更雄心勃勃的項目即歐洲南方天文台(ESO)在2014年開始建造的直徑為39米(128英尺)的巨型望遠鏡(簡稱ESO)，到本世紀20年代中期的時候將超過記錄。

在2016年公布的這幅作品的建造設計，完成的望遠鏡的基礎，在大約7年的時間裡它的圓頂將打開。圖片版權：ESO/L. Cal?ada/ACe Consortium

它不僅會以比哈勃望遠鏡更清晰16倍的圖像和256倍的光能收集能量，但它將使我們能夠用我們現有的儀器來做那些深不可測的科學。我們可以直接探測來自外太陽系行星的光——行星圍繞著我們自己的恆星周圍並在光譜上分開，分辨出它們的大氣中有什麼。對於所有最接近恆星的行星來說，我們甚至可以看到這些行星的第一個直接圖像。它還將拍攝宇宙中最遙遠、最早的星系的前所未有的圖像，在其他星系中心的超大質量黑洞，將在新形成的恆星周圍的原行星盤中探測到水和有機(碳基)分子，它將探測暗物質和暗能量的性質和性質。有了這麼大高質量的望遠鏡，就有了更多的新科學。

演化後的原行星盤有很大的空隙，圍繞著年輕的恆星HL Tauri。左邊的阿爾瑪形象，右邊的VLA形象。在這種情況下像這樣的原行星盤的新視圖，包括在光學上，將成為可能。圖片版權：Carrasco-Gonzalez, et al.; Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

關鍵是主鏡的大小和質量，光學的項目經理——望遠鏡的項目經理馬克·卡瑞爾(Marc Cayrel)說：為了建造這麼大的望遠鏡需要建造一個有效的表面，它的形狀是正確的，直徑為39米，中心有一個大洞，相當於1000平方米。(相比之下，哈勃的面積是4.5平方米。)表面需要平滑到令人難以置信的7.5納米：只有它收集的光波長的1 / 100。不能構建一個大到那種平滑程度的單鏡像，因此唯一的選擇就是在片段中進行。SCHOTT生產的材料製成獨特的低膨脹ZERODUR材料，然後由SAFRAN-REOSC拋光，將擁有人類歷史上比任何光學望遠鏡最大的主鏡。

這幅航拍圖像顯示了歐洲超大望遠鏡的主鏡的1:1比例模型，它是在義大利阿西哥附近的阿西哥天體物理學觀測台旁邊組裝的。這種分段結構對於這種尺寸和重量的望遠鏡來說是必要的，特別是在理想的光學精度上。圖片版權：ESO/Sergio Dalle Ave & Roberto Ragazzoni (INAF-OAPD)

在一個令人難以置信的技術成就中，主鏡將由798個六角形的部分組成，每一個都是1.4米的大小，從角到角測量每一段只有50毫米(大約兩英寸)厚，下面的力學，形成一個完整的集合，可以從望遠鏡里移動。每個單獨的部分都可以被拋光到7.5納米的平滑度(這是均方根平滑度)，實現光學目標。這種平滑度的最大優點是圖像質量，因為你需要的是光線波長的極小部分，以便進行高對比度成像，特別是對於那些遙遠的物體。然後，一個特殊的反射塗層被物理地添加到頂部，以充分利用每一個進入和撞擊主鏡的光子。

一個完整的切割和拋光的1.4米的部分。圖片版權： SCHOTT

製造拋光和建造這些鏡子和組裝將需要大約7年的時間，因為這個地方需要800個左右。因為他們六角形(六面)鏡子鏡子需要完成一個特定的幾何形狀,這意味著有133個獨特的形狀需要完整的鏡子798÷6 = 133。如果沒有按照鏡子形狀要求的漸變來製作它們，就會有光學像差，這是哈勃太空望遠鏡的原始缺陷！但是塗層本身是脆弱的和臨時的，必須在現場進行。所以這意味著你需要一個專門的生產設施可以每天在那裡製作一個鏡像塗層;即使是這樣，也要花兩年的時間才能把所有的單鏡望遠鏡都準備好。

哈勃的原始視圖(左)與鏡像缺陷的前後對比，以及正確的光學後的修正圖像(右)。圖片：NASA / STScI

在地球上鏡子上的反光膜會被磨損。儘管鏡子的光學質量在幾十年的時間內是穩定的，但額外的層只有18個月左右，直到需要維護為止。這意味著要完全剝離鏡子塗層，並在連續的基礎上塗上一層新塗層。即使你可以每天更換一到兩個望遠鏡——因為望遠鏡只在夜間使用——你不可能把所有的部分都保持在連續的操作中，只有798個望遠鏡的鏡子。相反需要製造一個「額外的」133個鏡子，每一個獨特的形狀，這樣就可以更換鏡子，需要重新修復和重新編碼，而不危及整個望遠鏡，總共有931個鏡子。

當然需要一個額外的存儲設施用於133個鏡子，一個現場的剝離和重新編碼設施，當你沒有看到天空的時候，基本上把你的天文台變成一個工廠。這個拼寫的計劃是，每天都要有一個連續的維護狀態，用一個新重新編碼的鏡子代替鏡子，這意味著它每天晚上都可以進行連續的操作。

這張圖展示了ESO超大望遠鏡(ELT)的新型5 -鏡像光學系統。在到達科學儀器之前，光首先從望遠鏡的巨大的凹凸的39米分割的主鏡反射(M1)，然後又反射出兩個4 - metrea級的鏡子，一個凸(M2)和一個凹面(M3)。最後的兩個鏡子(M4和M5)形成一個內置自適應光學系統，允許在最終的焦平面上形成非常清晰的圖像。圖片：ESO

即使有798個完美的配置拋光和塗層的鏡子，挑戰還沒有結束，不只是需要每個鏡像段的高精度表面，需要同樣的精度在所有的鏡子組合，同時為了使鏡面的容忍度降低到精確的程度，需要考慮到地球的重力會使鏡子變形，溫度的差異和波動。三個位置執行器可以對齊每一個分段裝配的高度，尖端和傾斜，這將使鏡像連續不斷地對齊:最多每秒4次。但其他必要的對齊方式來自於一個9個執行器扭曲的線束，它位於每個鏡子的底面。這些執行器應用扭矩來補償每面鏡子的變形，在這種情況下形狀和曲率可以被優化，產生所需的納米級精度。根據所觀察到的和熱環境的情況，可以根據需要進行多次調整。

這不僅僅是需要傾斜、扭曲和指向的裝配結構，而是每個鏡子背面的執行器。這是實現所需的7.5納米精度的唯一方法，不只是在每個鏡子上，而是在主陣列中的每一個鏡子之間。圖片版權：ESO/H.-H. Heyer

接下來需要創建要實現的整體鏡像的形狀:我們稱之為主鏡像的「設定值」。通過觀察一顆星星並分析它從鏡子上反射回來的光線，就可以確定每一個798個鏡子如何相對移動以達到完美的焦點。一旦完成了校準鏡子都被認為是鎖相的。在夜間這個設置點將被用於觀察，在整個過程中獲得非常好的準確性。

但是要在你的觀察中保持這個集合點，你需要對單個的鏡子做出微小的、持續的調整。氣溫將會變化，重力，將會有內部振動給望遠鏡組裝，甚至會有大量的風效應，這就像在湖邊或池塘里看到的波紋，如果需要一個非常光滑的表面必須清理那些。對每一面鏡子做很小的調整每秒鐘大約每秒4到5次，這會使你在整晚保持鎖相和在那個設置點上達到7.5納米精度。

每面鏡子都是一個形狀很好的圓形圓盤，133個「點」中的任何一個都有正確的漸變，它將在主鏡陣列中佔據。只有在拋光到7.5納米的公差後，鏡子才能被切割成1.4米的六角形部分，最後的塗層隨後應用於此。圖片版權：SCHOTT/ESO

在個體鏡像部分和邊緣效應之間也會有空隙，畢竟有798面鏡子，每面有6條邊，這幾乎是5000條邊！很難將鏡面均勻地打磨到邊緣，否則你會在邊緣處被「折光」。為了克服這一點將一個直徑1.5米的圓盤拋光，然後雕刻出1.4米的六角形部分，然後再塗上你的最終塗層。儘管如此六邊形的部分，即使在每個部分之間只有4毫米的差距，也會創造出無法避免的圖像偽跡：衍射峰值。與哈勃望遠鏡不同，它的每顆恆星有四個尖峰，由於六邊形的間隙它將有6個。

這顆恆星為氣泡星雲提供動力，其質量約為太陽質量的40倍。注意由於望遠鏡本身，衍射峰值會干擾附近細微結構的詳細觀測。圖片：NASA, ESA, Hubble Heritage Team

即便如此在這方面也有一些技巧。如果想像一些非常遙遠或廣闊的領域，那麼這些峰值幾乎是無法察覺的。但如果想要想像一些微弱的東西，那很接近明亮的東西，那就是當峰值的時候通過將gap - space最小化作為表面積的函數- - - 99%的望遠鏡表面是鏡面- - -可以幫助減小峰值的大小。通過使用剪切成像可以在兩個圖像上有輕微的錯誤定位然後再減去它們，可以去除這些衍射峰值的大部分影響。

這個巨大的望遠鏡直徑39米的主鏡，將是世界上最大的眼睛，當它在未來10年開始運作的時候，它將成為世界上最大的光學望遠鏡。這是一個詳細的初步設計，展示了整個天文台的解剖結構。圖片版權：ESO

它的大小，它的力量，它的重量以及它的複雜性都是不可能的建造——重新完成」的望遠鏡。需要在整個晚上不斷調整以保持最佳鏡面形狀，它需要在夜間重新校準，以達到完美的設定值，它需要每隔18個月重新編碼，以保持理想的平滑度和反射率。但如果你做了所有這些，你就會使用最優的技術和儀器——從對光學的角度跟蹤到自適應光學到成像方法——它有能力超越所有其他光學望遠鏡，無論是在地球上還是在太空中。這將是一個令人難以置信的技術成就，完成時需要持續的工作來維持。但我們從它所得到的科學將與我們的世界所見過的其他任何事物都不同。

在智利阿塔卡馬沙漠的一處3046米的山頂上，藝術家對巨型望遠鏡(ELT)的印象。這台39米長的ELT將是世界上最大的光學/紅外望遠鏡。圖片：ESO/L. Cal?ada

參考：NASA，ESO等

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

來自：Forbes science

編譯：中子星

審校：博科園

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