歐洲極大望遠鏡:口徑39.3米主鏡到底能看見啥
2020-12-05 網易科技（原標題：歐洲極大望遠鏡：巨眼觀宇宙）
本報記者 張佳星
南半球，海拔3000多米，沙漠山頂，一隻「巨眼」要從這裡仰望太空。
5月26日，歐洲極大望遠鏡（E-ELT）在智利北部開工建造，這是世界上最大的光學望遠鏡，其主鏡口徑39.3米，比一個籃球場還要長。
它讓人類看到更清晰的宇宙，E-ELT項目負責人蒂姆·德澤烏說：「現有望遠鏡與E-ELT之間的差距，好像伽利略以自己的裸眼與望遠鏡相比那麼大。」
讓蒂姆如此自信的「巨眼」能「看」什麼？怎麼建？該怎麼把比籃球場還大的主鏡裝上？又配備了哪些先進的科學重器呢？科技日報記者專訪了中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所副研究員白華。
主鏡、副鏡、變形鏡，鏡鏡都不簡單
在美國亞利桑那大學有一個鏡面實驗室，它是世界上唯一能做出口徑8.417米光學望遠鏡鏡片的地方，「這是目前單鏡面望遠鏡有口徑極限。」白華說。
如果8.417米是單鏡片的極限，那麼E-ELT的39.3米主鏡又是如何得到呢？「它是由小鏡子拼接完成的，」白華說，由於拼接主動光學技術的誕生和發展，原理上並不存在口徑極限。「本身E-ELT的雛形為100米望遠鏡，提交計劃時主鏡口徑42米，後因經費問題縮減到39.3米。」
據了解，總投資10.55億歐元的E-ELT約40%預算都花在了鏡片上。除了由798面六角形的小鏡片拼接而成的主鏡，還有4塊尺寸不小的鏡片。
「拼接主鏡的子鏡口徑1.4米，為了讓E-ELT鏡筒儘可能短，主鏡採用了快焦比設計。這個設計中，主鏡的焦距和主鏡直徑大致相等，這直接造成了主鏡的子鏡加工難度大，」白華介紹。
近800面鏡片的拼接將異常繁瑣，那麼，既然有8米的鏡片，為什麼不用較大的子鏡拼接成主鏡呢？
「成本和吊裝難度是一個原因，1.4米的子鏡歐洲、俄羅斯、中國等很多國家都可以做，成本會下降不少，」白華介紹，另一個重要原因是，鏡片口徑超過6米之後，鏡面會受自身重力的影響，產生形變，如果校正這個形變，E-ELT系統將更加複雜。
主鏡之外，自適應變形鏡同樣不易獲得。「自適應變形鏡口徑為2.3米，目前世界上已成功研製的最大的自適應鏡面口徑為1.2米，是裝配在歐洲南方天文臺的VLT望遠鏡的自適應副鏡。」白華說，「要將變形鏡口徑突破性地增加，我認為這一點是E-ELT建造上最困難的一點。」
檢測、調試、校準，與生俱來的「強迫症」
包裹在望遠鏡之外的圓頂直徑將達到85米，整個望遠鏡平臺，包括鏡面與桁架結構，重達3000噸，這個龐然大物需要在水平面靜靜地穩定旋轉360°。
798塊子鏡拼接成一體，每塊子鏡都要保持最好的狀態。
……
這些幾近苛責的需求，使得E-ELT能夠盡情施展自己的「光年眼」。要達成這些需求，完成微米不差的設計建造，必須「強迫症」式的反覆檢測、調試、校準，它們將成為未來7年的建造工作日常。
建造過程中最不容有失的部分將是主鏡的拼接。「安裝鏡面時將進行粗調和精調，用波前傳感器檢測、促動器調整，採用拼接主動光學技術達成對鏡面的調控和校正。」白華介紹，拼接主動光學技術在國際上屬於成熟技術，有多臺8-10米望遠鏡採用了這項技術，例如Keck望遠鏡，GEMINI望遠鏡等。
作為地基望遠鏡，另一個不得不提的系統是自適應光學系統，這個系統用於消除地球大氣造成的大氣湍流現象。
與發射到太空的著名「哈勃望遠鏡」相比，E-ELT的鏡前環抱著厚重的大氣層，這就好像從霧蒙蒙的車窗中拍風景，根本無法呈現太空的原貌。選址一開始，投建方就在糾結，智利、南非、摩洛哥、西藏、南極洲都曾作為備選地，考慮到建設、維護、配套的方便性，最終選定靠近帕瑞納天文臺的地方，山下是最乾旱的地區之一——阿塔卡瑪沙漠，海拔3000米，空氣稀薄、乾燥、無汙染尤其是光汙染，觀測環境質量優。
「望遠鏡口徑越大，望遠鏡成像質量受大氣湍流影響越大，」白華說，因此8—10米級以上的望遠鏡通常配備自適應光學系統。「用於校正大氣湍流的主要元件之一是變形鏡，變形鏡關係到整個自適應光學系統的校正能力和校正精度。一般來說，望遠鏡口徑和觀測視場越大，變形鏡的口徑越大。」
這個不簡單的變形鏡，由很多單元組合而成，每個單元都有自己獨立的控制器，「E-ELT的變形鏡需要8000個促動器，」白華表示，在外加電壓控制下，變形鏡可以改造望遠鏡接收到的波面的面形，作為波前校正器件校正波前誤差。
「望遠鏡竣工之後，仍要繼續進行調試校正，」白華說，不要認為2024年竣工就可以馬上投入使用，「那個時候只是『初光』，即第一次捕捉到來自宇宙的光波，還要至少一到兩年的調試才能正式使用。」
強聚光、高分辨，「光年眼」開啟一個時代
資料顯示，E-ELT將裝載高解析度光學光譜儀、追蹤多目標的廣角近紅外集成視場光譜儀、具有極高自適應光學系統的行星成像儀和光譜儀、限制衍射的近紅外照相機等設備。其中，用於拍照的近紅外照相機，解析度是NASA未發射的空間望遠鏡「詹姆斯·韋伯」的6倍，「哈勃」16倍以上。
「之前認為是一個『點』，用E-ELT就可以區分開是兩個甚至幾個『點』，」白華解釋，這就是解析度高。
有了超大主鏡和重器的支撐，E-ELT將接收到之前無法感知的遙遠天體發射出的光波。有天文愛好者這樣評價，就聚光能力衡量，E-ELT是當今頂級望遠鏡的13倍，比單架甚大望遠鏡（VLT）強大26倍，比400年前伽利略製造的望遠鏡強800萬倍，比人類肉眼強1億倍！無怪項目負責人蒂姆有底氣把其他望遠鏡「輕視」為裸眼。
「E-ELT還能夠獲得天體的高分辨光譜，有了光譜，才能知道某個天體距離我們有多遠。」白華說。
此外，ELT的目標之一是搜索太陽系外可能存在生命的行星。人類目前只發現近2000顆系外行星。由於行星不發光，在強光的恆星身邊環繞，「燈下黑」的境遇讓發現行星非常困難。然而，ELT能夠呈現更大的影像，甚至能直接測量那些行星大氣層的性質，這將大幅提升搜索可能生命行星的效率。
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在建的39米口徑的歐洲極大望遠鏡（E-ELT） 他補充道：「並不是講四鏡系統完全沒有優勢，它也有很多好處，但是在實際臺址氣象條件不明的情況下，很難讓人期望能將設計指標變成現實不過，這臺4米口徑的光譜巡天望遠鏡適用於專門任務，而中國的通用光學望遠鏡還停留在2米級，遠遠不能與國際上一批一流的8-10米級通用光學望遠鏡相比。大口徑通用光學天文觀測設備的空缺，已嚴重掣肘中國的天文研究。要知道，美國早在1917年就建成了2.54米口徑的胡克望遠鏡。 目前，歐洲南方天文臺正在智利建造39米口徑的歐洲極大望遠鏡（E-ELT）。 -
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