欧洲极大望远镜:口径39.3米主镜到底能看见啥

本报记者 张佳星

南半球,海拔3000多米,沙漠山顶,一只“巨眼”要从这里仰望太空。

5月26日,欧洲极大望远镜(E-ELT)在智利北部开工建造,这是世界上最大的光学望远镜,其主镜口径39.3米,比一个篮球场还要长。

它让人类看到更清晰的宇宙,E-ELT项目负责人蒂姆·德泽乌说:“现有望远镜与E-ELT之间的差距,好像伽利略以自己的裸眼与望远镜相比那么大。”

让蒂姆如此自信的“巨眼”能“看”什么?怎么建?该怎么把比篮球场还大的主镜装上?又配备了哪些先进的科学重器呢?科技日报记者专访了中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所副研究员白华。

主镜、副镜、变形镜,镜镜都不简单

在美国亚利桑那大学有一个镜面实验室,它是世界上唯一能做出口径8.417米光学望远镜镜片的地方,“这是目前单镜面望远镜有口径极限。”白华说。

如果8.417米是单镜片的极限,那么E-ELT的39.3米主镜又是如何得到呢?“它是由小镜子拼接完成的,”白华说,由于拼接主动光学技术的诞生和发展,原理上并不存在口径极限。

“本身E-ELT的雏形为100米望远镜,提交计划时主镜口径42米,后因经费问题缩减到39.3米。”

据了解,总投资10.55亿欧元的E-ELT约40%预算都花在了镜片上。除了由798面六角形的小镜片拼接而成的主镜,还有4块尺寸不小的镜片。

“拼接主镜的子镜口径1.4米,为了让E-ELT镜筒尽可能短,主镜采用了快焦比设计。这个设计中,主镜的焦距和主镜直径大致相等,这直接造成了主镜的子镜加工难度大,”白华介绍。

近800面镜片的拼接将异常繁琐,那么,既然有8米的镜片,为什么不用较大的子镜拼接成主镜呢?

“成本和吊装难度是一个原因,1.4米的子镜欧洲、俄罗斯、中国等很多国家都可以做,成本会下降不少,”白华介绍,另一个重要原因是,镜片口径超过6米之后,镜面会受自身重力的影响,产生形变,如果校正这个形变,E-ELT系统将更加复杂。

主镜之外,自适应变形镜同样不易获得。“自适应变形镜口径为2.3米,目前世界上已成功研制的最大的自适应镜面口径为1.2米,是装配在欧洲南方天文台的VLT望远镜的自适应副镜。”白华说,“要将变形镜口径突破性地增加,我认为这一点是E-ELT建造上最困难的一点。”

检测、调试、校准,与生俱来的“强迫症”

包裹在望远镜之外的圆顶直径将达到85米,整个望远镜平台,包括镜面与桁架结构,重达3000吨,这个庞然大物需要在水平面静静地稳定旋转360°。

798块子镜拼接成一体,每块子镜都要保持最好的状态。

……

这些几近苛责的需求,使得E-ELT能够尽情施展自己的“光年眼”。要达成这些需求,完成微米不差的设计建造,必须“强迫症”式的反复检测、调试、校准,它们将成为未来7年的建造工作日常。

建造过程中最不容有失的部分将是主镜的拼接。“安装镜面时将进行粗调和精调,用波前传感器检测、促动器调整,采用拼接主动光学技术达成对镜面的调控和校正。”白华介绍,拼接主动光学技术在国际上属于成熟技术,有多台8-10米望远镜采用了这项技术,例如Keck望远镜,GEMINI望远镜等。

作为地基望远镜,另一个不得不提的系统是自适应光学系统,这个系统用于消除地球大气造成的大气湍流现象。

与发射到太空的著名“哈勃望远镜”相比,E-ELT的镜前环抱着厚重的大气层,这就好像从雾蒙蒙的车窗中拍风景,根本无法呈现太空的原貌。

选址一开始,投建方就在纠结,智利、南非、摩洛哥、西藏、南极洲都曾作为备选地,考虑到建设、维护、配套的方便性,最终选定靠近帕瑞纳天文台的地方,山下是最干旱的地区之一——阿塔卡玛沙漠,海拔3000米,空气稀薄、干燥、无污染尤其是光污染,观测环境质量优。

“望远镜口径越大,望远镜成像质量受大气湍流影响越大,”白华说,因此8—10米级以上的望远镜通常配备自适应光学系统。“用于校正大气湍流的主要元件之一是变形镜,变形镜关系到整个自适应光学系统的校正能力和校正精度。一般来说,望远镜口径和观测视场越大,变形镜的口径越大。”

这个不简单的变形镜,由很多单元组合而成,每个单元都有自己独立的控制器,“E-ELT的变形镜需要8000个促动器,”白华表示,在外加电压控制下,变形镜可以改造望远镜接收到的波面的面形,作为波前校正器件校正波前误差。

“望远镜竣工之后,仍要继续进行调试校正,”白华说,不要认为2024年竣工就可以马上投入使用,“那个时候只是‘初光’,即第一次捕捉到来自宇宙的光波,还要至少一到两年的调试才能正式使用。”

强聚光、高分辨,“光年眼”开启一个时代

资料显示,E-ELT将装载高分辨率光学光谱仪、追踪多目标的广角近红外集成视场光谱仪、具有极高自适应光学系统的行星成像仪和光谱仪、限制衍射的近红外照相机等设备。

其中,用于拍照的近红外照相机,分辨率是NASA未发射的空间望远镜“詹姆斯·韦伯”的6倍,“哈勃”16倍以上。

“之前认为是一个‘点’,用E-ELT就可以区分开是两个甚至几个‘点’,”白华解释,这就是分辨率高。

有了超大主镜和重器的支撑,E-ELT将接收到之前无法感知的遥远天体发射出的光波。有天文爱好者这样评价,就聚光能力衡量,E-ELT是当今顶级望远镜的13倍,比单架甚大望远镜(VLT)强大26倍,比400年前伽利略制造的望远镜强800万倍,比人类肉眼强1亿倍!无怪项目负责人蒂姆有底气把其他望远镜“轻视”为裸眼。

“E-ELT还能够获得天体的高分辨光谱,有了光谱,才能知道某个天体距离我们有多远。”白华说。

此外,ELT的目标之一是搜索太阳系外可能存在生命的行星。人类目前只发现近2000颗系外行星。由于行星不发光,在强光的恒星身边环绕,“灯下黑”的境遇让发现行星非常困难。

然而,ELT能够呈现更大的影像,甚至能直接测量那些行星大气层的性质,这将大幅提升搜索可能生命行星的效率。

SOURCE: http://tech.163.com/17/0607/15/CMBBG2VM00097U81.html

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