液態(tài)鏡面望遠(yuǎn)鏡

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籌劃中的30米望遠(yuǎn)鏡（TMT）和39米的歐洲特大望遠(yuǎn)鏡（EELT）。液態(tài)鏡面望遠(yuǎn)鏡也是巡天工作最經(jīng)濟(jì)的方法，而這種工作在普遍天文臺(tái)需要花費(fèi)大量名貴的時(shí)間。

簡(jiǎn)樸的優(yōu)勢(shì)

PaulHickson（加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)）設(shè)計(jì)建立了一個(gè)天文臺(tái)并負(fù)責(zé)管理，LZT就安裝在這里。在設(shè)計(jì)這種特殊類(lèi)型的望遠(yuǎn)鏡方面，他是世界級(jí)權(quán)威。作為一個(gè)聰明、敏銳，而且富有冒險(xiǎn)精神的人，Hickson還會(huì)駕駛和制造測(cè)驗(yàn)性飛行器，而他的望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)也有來(lái)自航空航天方面的靈感。

在著手建立液態(tài)鏡面天文臺(tái)的時(shí)候，他的團(tuán)隊(duì)在大學(xué)鄰近調(diào)查了幾個(gè)候選臺(tái)址——通過(guò)欣賞氣候數(shù)據(jù)和地形圖，從天空中查看，再坐著吉普車(chē)舉行實(shí)地考察。他們最終選擇了這片森林，這里遠(yuǎn)離城市燈光，比其它的候選地點(diǎn)更好。

LZT的造價(jià)相當(dāng)?shù)土?。建立普遍的大型望遠(yuǎn)鏡至少需要耗資上千萬(wàn)美元，而每晚的運(yùn)行費(fèi)用也得上萬(wàn)美元，這比液態(tài)鏡面天文臺(tái)高好多個(gè)數(shù)量級(jí)，后者的建立費(fèi)用僅為50萬(wàn)美元。加拿大物理學(xué)家ErmannoBorra（拉瓦爾大學(xué)）是液態(tài)鏡面望遠(yuǎn)鏡的先驅(qū)，他認(rèn)為本金是這種望遠(yuǎn)鏡最大的優(yōu)點(diǎn)。他說(shuō)：“它的費(fèi)用僅為普遍望遠(yuǎn)鏡的百分之幾，這切實(shí)分外分外低廉?！?/p>

布局簡(jiǎn)樸不但使液態(tài)鏡面望遠(yuǎn)鏡的造價(jià)分外低廉，而且?guī)?lái)了更卓越的光學(xué)性能。用LZT舉行觀測(cè)，在辨識(shí)率上與一致口徑的普遍望遠(yuǎn)鏡不相上下，觀測(cè)恒星和遙遠(yuǎn)的旋渦星系時(shí)可以接近大氣辨識(shí)率的極限。由于液體滾動(dòng)時(shí)能夠自然地形成光滑的外觀，所以液態(tài)鏡面與玻璃研磨鏡面相比，能夠輕而易舉地獲取毫無(wú)瑕疵的光學(xué)性能，具有制成完備鏡面的巨大潛力。

精細(xì)地調(diào)校硬件才能實(shí)現(xiàn)這種完備。操縱室中的演示屏可以顯示鏡面旋轉(zhuǎn)的速度變化：誤差僅為百萬(wàn)分之九。當(dāng)Hickson第一次建立鏡面時(shí)，轉(zhuǎn)速的誤差為千分之一。接下來(lái)的抖動(dòng)使得水銀面發(fā)生晃動(dòng)，破壞了反射圖像。

根據(jù)鏡面的角運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，Hickson增加了一個(gè)操縱系統(tǒng)以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。他安裝了一層只有幾微米厚的通明的光學(xué)聚脂覆膜。這層薄膜安裝在鏡面上方幾厘米處，并且隨著鏡面一起旋轉(zhuǎn)。它可以養(yǎng)護(hù)液體在圓頂開(kāi)啟時(shí)不會(huì)遭遇風(fēng)吹，而且可以防止在運(yùn)動(dòng)液體上方的空氣中形成小漩渦，這些漩渦會(huì)產(chǎn)生小波紋，降低圖像質(zhì)量。

正如“大型天頂望遠(yuǎn)鏡”這個(gè)名稱(chēng)的字面意思那樣，它只能看到天文臺(tái)正上方的天區(qū)：假使鏡面傾斜，就會(huì)使水銀溢出，所以只能垂直朝向上方。研究人員通過(guò)“漂移掃描”法片面突破了這一局限，他們延遲了CCD的讀出時(shí)間，以跟上天空的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)了模擬跟蹤。盡管如此，它依舊只能舉行不需定向的天文觀測(cè)工作。這座天文臺(tái)坐落于北緯49°，這意味著，隨著地球的自轉(zhuǎn)，它只能觀測(cè)赤緯49°的帶狀天區(qū)。這種天頂帶巡天觀測(cè)對(duì)于宇宙學(xué)、超新星探尋等好多種天文學(xué)研究工作都分外有意義。

然而，LZT目前并沒(méi)有參與這些研究。當(dāng)下，它有一個(gè)更重大的任務(wù)：通過(guò)研究大氣中的鈉，扶助天文學(xué)家設(shè)計(jì)下一代巨型望遠(yuǎn)鏡。

解決鈉的問(wèn)題

新一代所謂“特大望遠(yuǎn)鏡”，如30米望遠(yuǎn)鏡和歐洲特大望遠(yuǎn)鏡，都面臨著巨大的設(shè)計(jì)難題。這些望遠(yuǎn)鏡的主鏡面口徑是現(xiàn)今世界上最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的3到4倍。巨大的鏡面使得獲取巨大而明顯的圖像成為可能，但正是這樣的敏感度使得望遠(yuǎn)鏡很輕易受到大氣擾動(dòng)的影響，這個(gè)問(wèn)題在小型儀器中是缺乏為患的。光學(xué)敏感度隨著望遠(yuǎn)鏡口徑的四次方成正比增加，這意味著口徑的增加對(duì)于望遠(yuǎn)鏡性能有著巨大的影響。

新一代巨型望遠(yuǎn)鏡面臨的一個(gè)特殊挑戰(zhàn)是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以主動(dòng)變更望遠(yuǎn)鏡副鏡的外形來(lái)補(bǔ)償大氣抖動(dòng)造成的圖像模糊。有些天文臺(tái)向大氣層中間層中的鈉層放射激光束，在天空中制造一個(gè)亮堂的熒光點(diǎn)，即所謂“引導(dǎo)星”，由此來(lái)測(cè)量大氣的變化。副鏡那么據(jù)此頻繁地快速調(diào)整形狀——有時(shí)每秒鐘調(diào)整1000次以上——以適應(yīng)激光導(dǎo)星探測(cè)到的大氣擾動(dòng)。大型地基望遠(yuǎn)鏡都需要安裝自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)來(lái)改善受大氣視寧度所限制的觀測(cè)效果。

大氣中的鈉分為不同的層次，密度和高度均不一致。海洋般的波紋順著整個(gè)鈉層翻滾，這些湍流會(huì)導(dǎo)致變化。這些不規(guī)律的變化與整個(gè)鈉層平均高度的變化共同變更著引導(dǎo)星的布局和距離，就會(huì)使自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)發(fā)生混亂。甚至于鈉層高度展現(xiàn)5米級(jí)的變化都會(huì)對(duì)自適應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

TMT的測(cè)量?jī)x器部主任BrentEllerbroek說(shuō)：“假設(shè)在觀測(cè)數(shù)據(jù)中部展現(xiàn)一條流星尾跡，就可以使鈉層的平均范圍變更100倍以上?！庇纱水a(chǎn)生的誤差對(duì)于巨型望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)更嚴(yán)重，會(huì)與口徑的平方成正比增加。這會(huì)嚴(yán)重降低巨型望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)質(zhì)量?！八?，實(shí)時(shí)了解鈉層是如何演化的至關(guān)重要?！?/p>

通過(guò)研究比自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的工作頻率高6個(gè)數(shù)量級(jí)以上的時(shí)間尺度所獲的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們揣測(cè)出了上述結(jié)論。在建立耗資10億美元的天文臺(tái)之前，務(wù)必表明在更小時(shí)間尺度上鈉層也會(huì)按照他們所預(yù)想的那樣變化，為此他們需要一種方法，以測(cè)量大氣中鈉元素密度的真實(shí)變化，并且要有足夠的辨識(shí)率來(lái)校正全體的誤差。但目前最好的數(shù)據(jù)也無(wú)法做到這一點(diǎn)。

現(xiàn)在LZT已被表明可以收集到足夠精確的數(shù)據(jù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。在一個(gè)相機(jī)傳感器展現(xiàn)故障的觀測(cè)間歇期里，Hickson和他的研究生為L(zhǎng)ZT安裝了一臺(tái)激光器。這臺(tái)激光器使得LZT成為了世界上同類(lèi)儀器中最大的“激光雷達(dá)”研究中心，或光雷達(dá)研究中心。它與用于產(chǎn)生引導(dǎo)星的激光技術(shù)是同樣的。

使用激光雷達(dá)后，LZT在鈉層里辨識(shí)出了以前從未看到的渦流和湍流，以及它們的布局和動(dòng)力學(xué)細(xì)節(jié)。在這些觀測(cè)數(shù)據(jù)中還第一次察覺(jué)了中間層的湍流波紋——鈉層同大氣中的相鄰層之間混亂的相互作用產(chǎn)生的微小波動(dòng)。

這樣一臺(tái)大型望遠(yuǎn)鏡竟然可以用于激光雷達(dá)研究，Ellerbroek對(duì)這獨(dú)特的處境極為贊美。他說(shuō)，LZT收集信號(hào)的面積范圍是其它激光雷達(dá)的100倍～500倍，而且它令人難以置信的高靈敏度還使其空間辨識(shí)率提高到米的量級(jí)，時(shí)間辨識(shí)率提高到1秒之內(nèi)。

Ellerbroek說(shuō)：“對(duì)于8米口徑的望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，這并不那么重要。但對(duì)于未來(lái)的30米～40米口徑的望遠(yuǎn)鏡而言，了解在那樣短的時(shí)間尺度上鈉層是如何變化的就特別重要了?！?/p>

Ellerbroek還說(shuō)，他和他的同事們正在利用LZT的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)將要用于30米口徑TMT望遠(yuǎn)鏡的波前檢測(cè)裝置，甚至?xí)?jù)此抉擇添置哪種激光器。他解釋說(shuō)：“了解了這些，我們事實(shí)上已經(jīng)可以向自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的模擬程序輸入數(shù)據(jù)，以判斷正在設(shè)計(jì)和將要添置的部件在面對(duì)鈉層變化時(shí)是否能良好地工作。”一個(gè)用心設(shè)計(jì)的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，可以讓TMT的辨識(shí)率比莫納克亞山上的一臺(tái)凱克望遠(yuǎn)鏡高出3倍～4倍，而凱克望遠(yuǎn)鏡是目前世界上最優(yōu)秀的地基可見(jiàn)光和近紅外波段望遠(yuǎn)鏡，同時(shí)也是衡量其它望遠(yuǎn)鏡性能的標(biāo)準(zhǔn)。

未來(lái)的望遠(yuǎn)鏡

盡管LZT不會(huì)急速投入天文學(xué)研究，但這架特殊的望遠(yuǎn)鏡將會(huì)引領(lǐng)一波液態(tài)鏡面望遠(yuǎn)鏡的浪潮。Hickson說(shuō)，他們之所以為天文臺(tái)選擇這樣一個(gè)地點(diǎn)，是由于這里很適合測(cè)試和進(jìn)展液態(tài)鏡面技術(shù)，實(shí)際上這里的晴夜分外少。好天氣都集中在短暫的夏季里。

他說(shuō)：“我們的目標(biāo)是，一旦這項(xiàng)技術(shù)成熟，就力爭(zhēng)把一架此類(lèi)望遠(yuǎn)鏡安置在有相當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)力的天文臺(tái)址。”

4米的國(guó)際液態(tài)鏡面望遠(yuǎn)鏡（ILMT）就是這些未來(lái)望遠(yuǎn)鏡中的一架。它的建立與LZT無(wú)關(guān)，但是也受益于密林中的LZT千獲取的學(xué)識(shí)。ILMT將會(huì)被安裝在喜馬拉雅山脈中高海拔的Devasthal地區(qū)（在印度西北部——編者注），那里已經(jīng)有兩座天文臺(tái)。

更遠(yuǎn)大的理想還包括了一個(gè)鏡面望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，這讓人想起位于智利的阿塔卡瑪毫米波/亞毫米波大天線(xiàn)陣。此外，幾年前Hickson和Borra還參與過(guò)一項(xiàng)提案：將一個(gè)口徑達(dá)100米的離子液體（實(shí)質(zhì)上是熔融的金屬鹽）望遠(yuǎn)鏡安裝在月面上。借助超導(dǎo)軸承和低溫真空等嶄新技術(shù)，它將能扶助天文學(xué)家觀測(cè)到早期宇宙，而且比即將問(wèn)世的韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）在辨識(shí)率和觀測(cè)極限上都更勝一籌。甚至一臺(tái)小得多的月基液態(tài)鏡面望遠(yuǎn)鏡，在對(duì)JWST的察覺(jué)舉行后續(xù)觀測(cè)時(shí)都會(huì)分外有效。

Borra甚至說(shuō)，在未來(lái)的幾十年里，技術(shù)的進(jìn)展可能可以造就在軌運(yùn)行的口徑達(dá)1千米的液態(tài)鏡面望遠(yuǎn)鏡。他說(shuō)：“它可能可以用太陽(yáng)帆驅(qū)動(dòng)，真的是一個(gè)龐然大物?！?/p>