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大望远镜时代

2004-01-18 15:26 作者:鲁伊 2004年第2期
从美国到欧洲,科学家们正在筹划建造新一代口径更大、功能更强的天文望远镜,它们的造价可能将超过1亿美元

大口径望远镜将人类与宇宙的联系更进一层

从美国到欧洲,科学家们正在筹划建造新一代口径更大、功能更强的天文望远镜,它们的造价可能将超过1亿美元。借助这样的天文望远镜,人类能第一次探寻到大爆炸第一秒与宇宙中生命形成之间的联系

在过去的一百年中,“世界上最大的天文望远镜”的称号曾数易其主。从威尔逊山上的胡克望远镜,到占据宝座长达半个世纪之久的帕罗玛天文台著名的5米口径海尔(Hale)反射望远镜,再到现在睥睨群雄的夏威夷莫纳克亚山上的10米口径凯克望远镜,对宇宙深处奥秘的好奇让科学家和工程师们不断挑战望远镜的极限。现在,一批正在筹建中的望远镜又开始对莫纳克亚山上的白色巨人兄弟发起了冲击。

这些新的竞争参与者包括30米口径的“加利福尼亚极大望远镜”(California Extremely Large Telescope,简称CELT),20米口径的大麦哲伦望远镜(Giant Magellan Telescope,简称GMT)和100米口径的绝大望远镜(Overwhelming Large Telescope,简称OWL)。它们的倡议者指出,这些新的望远镜不仅可以提供像质远胜于哈勃望远镜照片的太空图片,而且能收集到更多的光,对100亿年前星系形成时初态恒星和宇宙气体的情况有更多的了解,并看清楚遥远恒星周围的行星。在接受《纽约时报》采访时,夏威夷大学天文学系主任鲁夫-彼得•库德里斯基(Rolf-Peter Kudritzki)说:“借助这样的天文望远镜,你能够第一次探寻到大爆炸第一秒与宇宙中生命形成之间的联系。”

不仅如此,新的望远镜还能够对另外的一些天文望远镜起到非常重要的辅助和校验作用,如定于2011年发射升空的詹姆斯•韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope),以及美国与欧洲共同在智利建造的射电望远镜——阿塔卡马大型毫米波天线阵(Atacama Large Millimeter Array)等等。

然而,这些新的巨型望远镜也伴随着高昂的建造成本。根据《今日物理》的调查,建造这样一架大型天文望远镜,装配必要的观测设备并在20年的时间内维持其正常运转,所需的费用在10亿美元左右,超过最近一代全部大型天文望远镜(包括凯克天文望远镜在内)造价的总和。

大麦哲伦望远镜是加利福尼亚极大望远镜的一大竞争对手。为了在智利建造这个20米口径的下一代望远镜,卡内基天文台联合史密森天体物理观测台和哈佛大学、麻省理工学院、亚利桑纳大学和密歇根大学,成立了大麦哲伦望远镜联盟。大麦哲伦望远镜的设计镜面口径虽然只有20米,但因为使用了多项最新技术,设计人员预计它将成为拍摄图片质量最高、误差最小的天文望远镜。

1948年,当帕罗玛海尔反射望远镜完工时,许多人都认为它是地面天文望远镜的一个极限,因为更大的镜面会因为太重而变形。90年代,技术进步使建造更轻的更大的(8米)镜面成为可能,但它要依靠计算机不断调整支撑点,以保证镜面不会被自身的重量扭曲。后来,在加州大学圣克鲁兹分校粒子物理学家杰瑞•尼尔森的启发下,凯克望远镜改变了思路。它的10米口径的镜面是由36块小的六角形镜面彼此拼接而成的,这样就把镜面自重问题很好地解决了。

大麦哲伦望远镜的思路与凯克望远镜是类似的。它的主镜面将由6块大的圆形镜面围绕一个中心镜面构成。但加利福尼亚极大天文望远镜则与此不同。在理查德•艾里斯及其同事的设想中,30米口径的镜面很可能会由数千块六角形的小镜面所构成。

目前,两个望远镜的筹建人员都开始了设计和选址的初步工作。如果一切顺利,加利福尼亚极大天文望远镜将在2012年投入使用,而大麦哲伦望远镜的竣工时间定在2015年。

与美国不同,由欧洲南方天文台倡议、多个欧洲国家共同参与、建造在智利塞罗•帕拉纳(Cerro Paranal)的100米口径绝大望远镜显得更有创意。欧洲南方天文台的天文学家罗伯特•吉尔默兹(Robert Gilmozzi)称,100米是在一颗邻近恒星的地球大小的行星上搜寻生命所需的最小望远镜镜面口径。为了实现这个目标,天文学家们将采取一种创新的手段来建造这架望远镜。

首先,绝大望远镜将会被设计为球形,这样,它就有了不断扩大的空间,并且也可以分阶段的建造。望远镜主镜面的所有部分都是一致的,天文学家们会先建造一个60米口径的望远镜,看它是否能够正常工作,然后再将其他的部分逐渐拼接上去,组成一个100米口径的望远镜。

天文学家们指出,20米或30米口径的望远镜是能否寻找到类似地球的行星的底线。使用100米口径的望远镜,我们将能对这样的行星进行光谱分析,检测它们的大气成分构成,发现生命的征兆。一个大望远镜时代的来临,或许会让我们最终发现,在浩淼的宇宙中,我们并不孤独。

望远镜的历史

尽管公元前3500年左右腓尼基人在沙漠上烹煮食物时就于无意中发现了玻璃的制造方法,但直到5000年后,人类才掌握了将玻璃磨成透镜并进而制成望远镜的方法。在13世纪时,放大镜已经非常普及。

17世纪的荷兰商人利伯希(Hans Lippershey)通常被认为是望远镜的发明者。1608年,他与雅可布•梅提斯(Jacob Metius)几乎同时申请了可以“看到远方的东西,仿佛它们就在身边”的设备的专利。但实际上,他只是第一个将这种新设备——把一个凸透镜和一个凹透镜安装在一个管子里——广而告之的人而已。

1609年,伽利略在听到利伯希有关望远镜的工作的消息后不久,就自行制造出了一架小的天文望远镜。这架望远镜只能提供30倍的放大率,而且视野非常狭窄。事实上,如果不调整望远镜的位置的话,伽利略只能看到1/4张月亮的脸。但是,伽利略还是利用它观测到了月球陨石坑、太阳黑子、木星的4颗卫星、土星环,并指出银河实际上是由许多恒星构成的。

1672年,牛顿提出了一种新的望远镜设计概念。区别于伽利略的折射望远镜,牛顿的新望远镜使用一面凹透镜将光线聚集并反射到焦点上,因此被称为反射望远镜。反射望远镜的反射镜就像一个水桶一样,水桶越大,装的水越多,反射镜越大,能够收集到的光也越多。这种设计使望远镜的放大倍率达到了数百万倍,远远超过了折射望远镜所能达到的极限。

虽然基本原理一直不变,但牛顿使用的6英寸直径小铜镜却在随后的岁月里逐渐被更大口径的折射镜所取代。1845年,威廉•帕森(William Parsons)在爱尔兰建成了一架口径为72英寸的反射望远镜。直到1917年为止,它一直占据着世界最大的反射望远镜的宝座。

1917年,胡克望远镜(Hooker Telescope)在美国加利福尼亚的威尔逊山天文台建成。它的主反射镜口径为100英寸。正是使用这座望远镜,埃德温•哈勃(Edwin Hubble)发现了宇宙正在膨胀的惊人事实。

1930年,德国天文学家伯哈德•施密特(Bernhard Schmidt)将折射望远镜和反射望远镜的优点(折射望远镜像差小但有色差而且尺寸越大越昂贵,反射望远镜没有色差、造价低廉且反射镜可以造得很大,但存在像差)结合起来,制成了第一台折反射望远镜。这种望远镜被称为施密特-卡塞格伦望远镜,是目前最流行的天文望远镜。

1990年,NASA将哈勃太空望远镜送入轨道,然而,由于镜面故障,直到1993年宇航员完成太空修复并更换了透镜后,哈勃望远镜才开始全面发挥作用。由于可以不受地球大气的干扰,哈勃望远镜的图像清晰度是地球上同类望远镜拍下图像的10倍。

目前,世界上最大的光学天文望远镜是1993年开始投入使用的夏威夷莫纳克亚山上的凯克望远镜,它的主透镜的口径达到了10米。

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