雖然發明望遠鏡的人並不是伽利略,但拓展天文望遠鏡的功勞完全可以算在他頭上。
在這位義大利博學家涉足光學之前,天文學家使用的望遠鏡最多只能放大三倍,根本看不清幾百上千萬公裡之外的天體。1609年,伽利略製作了他的第一臺望遠鏡,將放大倍數提高到二十倍,幫助人們作出了早期天文學的一些最重大發現,比如四顆木星衛星和太陽黑子。
現在,天文學家一如既往地依靠望遠鏡來觀察宇宙,但現代望遠鏡的複雜性和大小會讓伽利略驚掉下巴。位於現代望遠鏡學最前沿的是巨型麥哲倫望遠鏡(GMT),這是新一類陸基光學儀器「極大望遠鏡」中的頭一個。
按計劃,GMT將在9年後投入使用,其有效孔徑(衡量望遠鏡光學「強度」的一個標準)將達到現有最大光學望遠鏡的兩倍。這一工程壯舉在很大程度上歸功於巨型透鏡生產工藝的改進,沒人比亞利桑那大學鏡面實驗室的科學家更清楚這一點。天文學家需要強大的透鏡時,就會求助於該實驗室。
「這幾乎是目前能鑄造出來且可以移動的鏡片的極限,」巨型麥哲倫望遠鏡組織總裁羅伯特·謝爾頓(Robert Shelton)說,「這真是不可思議的工程壯舉。」
世界上最大望遠鏡鏡面尺寸比較,GMT位於右下方
GMT包含七塊鏡片。11月3日,鏡面實驗室開始鑄造第五塊鏡片。鑄造工作在亞利桑那大學橄欖球場地下的一個巨大設施內進行,第一步是把近20噸的玻璃融化成液體。
放置玻璃塊的六角形模子
在此過程中,環形爐被加熱到1165攝氏度,並以每分鐘五圈的速度旋轉,持續四個小時。謝爾頓說,這種緩慢的旋轉有助於確保鏡片被鑄造成拋物線形狀,塑形的工作量比平面鏡片更少。
旋轉的鏡面實驗室熔爐
液化的玻璃流入熔爐中的六角形模子後,熔爐的旋轉速度變慢,等玻璃被冷卻需要大概三個月。
然後是玻璃的塑形和打磨,消除表面的所有瑕疵。為此,鏡面實驗室的工程人員利用運行特製算法的機器,來保證鏡片足夠光潔,達到GMT的要求。這個過程(需要大概一年半的時間)結束後,該鏡片的精度可以達到光波長的二十分之一或者人類頭髮絲寬度的千分之一。
每塊鏡片從訂購玻璃到儲存鏡片成品的整個過程需耗時大約五年。
GMT第一塊鏡片在2005年開始鑄造,2012年完成打磨過程,目前存放在亞利桑那大學附近的一個地方,以後將運往智利的阿塔卡馬沙漠。那裡是GMT的所在地。
謝爾頓說,GMT所有鏡片將在2023年完工。他希望,GMT可以在2026年「開光」,進行第一次觀測。這將使GMT成為目前擬建的三臺極大望遠鏡中第一個(也許是唯一一個)投入使用的。另外兩套(夏威夷的30米望遠鏡和智利的歐洲極大望遠鏡)因為地權糾紛和資金問題而被嚴重推遲。
技術人員把玻璃塊鋪在熔爐模子上
謝爾頓說,第四塊鏡片完成打磨後,前四塊鏡片將用大型貨櫃運往智利,運費為每塊40萬美元。鏡片將被貨車拉到GMT所在的山頂,行駛速度只有每小時3.2公裡,以確保鏡片的安全。然後,鏡片將被安裝好進行初步測試,在最後三塊鏡片裝上後,還會進行同樣的測試。
投入使用後,GMT將成為天文學家觀察宇宙的一大助力。其七塊鏡片將使GMT的有效孔徑接近25米,是目前最大望遠鏡(西班牙的加那利大型望遠鏡)的2.5倍,產生的紅外圖像清晰度是哈勃太空望遠鏡的十倍。
GMT效果圖
GMT將用於多個研究項目,包括探索碳和氮等基本元素的起源,宇宙第一批恆星的形成,暗物質和暗能量的性質,以及尋找銀河系裡的外星生命。
但在此之前,研究人員將繼續孜孜不倦地努力工作,在那個地下實驗室裡為熔化的玻璃塑形,讓我們可以更好地觀測宇宙。