文/ 葉楠

20世紀(jì)末大型天文望遠(yuǎn)鏡

19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，第二次工業(yè)革命的興起不僅帶來(lái)了更大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，更細(xì)致的勞動(dòng)分工，同時(shí)引發(fā)了科學(xué)技術(shù)的提升。這其中也包括機(jī)械、物流以及制鏡工藝水平的提高，使得建造、運(yùn)輸和裝配更大口徑的天文望遠(yuǎn)鏡成為了可能。20世紀(jì)初以量子力學(xué)、相對(duì)論以及核能的出現(xiàn)與應(yīng)用為代表的科技革命使得基礎(chǔ)科學(xué)研究達(dá)到了人類有史以來(lái)的最高水平。河外星系的發(fā)現(xiàn)為宇宙學(xué)研究增添了更多的未知，天文學(xué)家們迫切需要更大口徑的望遠(yuǎn)鏡來(lái)探尋那更加遙遠(yuǎn)也更加古老的宇宙深處。時(shí)間來(lái)到了20世紀(jì)下半葉，經(jīng)歷了兩次世界大戰(zhàn)的洗禮，雖然局部沖突不斷，但和平與發(fā)展是這個(gè)時(shí)代的主題，大型天文望遠(yuǎn)鏡也如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)。

BTA-6

BTA-6是蘇聯(lián)在1975年建造完成的一臺(tái)大型望遠(yuǎn)鏡，主鏡口徑6米。自建成以后直到1992年凱克望遠(yuǎn)鏡完工前，它一度是世界上口徑最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。不過(guò)這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際成像能力一直備受質(zhì)疑。一方面它的臺(tái)址位于高加索山脈北側(cè)的卡拉恰伊-切爾克西亞，這里被諸多山峰包圍，大氣非常不穩(wěn)定。另一方面，望遠(yuǎn)鏡還面臨著嚴(yán)重的熱膨脹問(wèn)題，使其成像能力只有設(shè)計(jì)值的60%左右。在此后的3年間，BTA-6更換了兩次主鏡，之后數(shù)十年里這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡一直在修修補(bǔ)補(bǔ)。單鏡面主鏡自身巨大的重量以及龐大體積下隱藏的熱量都會(huì)使其產(chǎn)生重力形變和熱膨脹，從而影響望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際觀測(cè)能力。大氣湍流引起的抖動(dòng)也是影響望遠(yuǎn)鏡口徑繼續(xù)做大的一個(gè)重要因素。

主動(dòng)光學(xué)技術(shù)

主動(dòng)光學(xué)技術(shù)發(fā)展于1980年代，通過(guò)在反射望遠(yuǎn)鏡主鏡背后安裝數(shù)量眾多的促動(dòng)器來(lái)對(duì)鏡片進(jìn)行支撐和微調(diào)。當(dāng)主鏡受到外力作用而產(chǎn)生形變時(shí)，例如由于自身重力、熱膨脹、機(jī)械應(yīng)力、風(fēng)力等等，不同位置的促動(dòng)器會(huì)根據(jù)計(jì)算機(jī)指令對(duì)鏡片的不同位置施加壓力，從而使得整個(gè)鏡片保持盡量接近完美的狀態(tài)。主動(dòng)光學(xué)技術(shù)在80年代后開(kāi)始建造的大型望遠(yuǎn)鏡中得到了廣泛的使用。圖為位于西班牙拉帕爾瑪島上的加那利大型望遠(yuǎn)鏡的主動(dòng)光學(xué)促動(dòng)器。

自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)

所有地基天文臺(tái)都要透過(guò)地球大氣才能看到遙遠(yuǎn)的天體。大氣會(huì)因?yàn)闇囟?、密度以及自身的流?dòng)而有不同的折射率，使得穿過(guò)大氣的光線產(chǎn)生扭曲。對(duì)于我們的眼睛來(lái)說(shuō)，這種影響微乎其微，但對(duì)于光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，大氣抖動(dòng)的影響是巨大的。早在1953年，海爾天文臺(tái)的巴布科克就提出了自適應(yīng)光學(xué)的概念，但受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件無(wú)法實(shí)現(xiàn)。直到20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)和光學(xué)技術(shù)足夠發(fā)達(dá)，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)才得以廣泛應(yīng)用。同主動(dòng)光學(xué)類似，自適應(yīng)光學(xué)也是通過(guò)促動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鏡面的改變以補(bǔ)償大氣湍流造成的波前畸變。不過(guò)它的調(diào)整速度比主動(dòng)光學(xué)要快得多，每次調(diào)整不會(huì)超過(guò)1毫秒。圖為有無(wú)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)拍攝的海王星照片對(duì)比（左圖采用了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)）。

多鏡面望遠(yuǎn)鏡

1971年，美國(guó)開(kāi)始研制多鏡面望遠(yuǎn)鏡（MMT），于1979年建成并投入使用。圖為1981年拍攝的MMT照片，可以看到天文臺(tái)里由6個(gè)圓形鏡片組成的望遠(yuǎn)鏡主鏡，每個(gè)鏡片的直徑為1.8米，6個(gè)鏡片組成了相當(dāng)于口徑4.5米的單鏡片望遠(yuǎn)鏡的集光能力。MMT的設(shè)計(jì)是超前的，它的多鏡面技術(shù)能夠徹底解放單鏡面望遠(yuǎn)鏡在重力形變和制造工藝上的限制。同時(shí)它還擁有高度精確的指向系統(tǒng)和先進(jìn)的鏡片清洗和維護(hù)系統(tǒng)。1998年到2000年期間，MMT的主鏡進(jìn)行了升級(jí)改造，用口徑6.5米的主鏡替代了之前的6個(gè)圓形鏡片。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用讓更新后的MMT煥發(fā)了新的生機(jī)。

新技術(shù)望遠(yuǎn)鏡

新技術(shù)望遠(yuǎn)鏡（NTT）坐落于智利的拉西拉天文臺(tái)，1989年建成，口徑3.6米。之所以稱之為新技術(shù)，是因?yàn)檫@是歷史上第一臺(tái)完整使用主動(dòng)光學(xué)技術(shù)的望遠(yuǎn)鏡。在觀測(cè)期間，主鏡的形狀可以通過(guò)促動(dòng)器進(jìn)行調(diào)整以獲得最佳的圖像品質(zhì)。副鏡的位置也可以在3個(gè)方向上進(jìn)行靈敏的控制。除此以外，望遠(yuǎn)鏡圓頂?shù)脑O(shè)計(jì)也極為注意通風(fēng)散熱問(wèn)題，對(duì)望遠(yuǎn)鏡周圍熱源的控制也進(jìn)行了阻隔。這些新技術(shù)的應(yīng)用使得這臺(tái)口徑并不占優(yōu)勢(shì)的望遠(yuǎn)鏡依舊可以在天文觀測(cè)前沿占據(jù)一席之地。

2.16米望遠(yuǎn)鏡

位于中國(guó)河北省承德市興隆縣的興隆觀測(cè)基地是我國(guó)也是亞洲最大的光學(xué)天文觀測(cè)基地，始建于1965年，于1968年投入使用。目前口徑大于60厘米的專業(yè)天文望遠(yuǎn)鏡有9臺(tái)，其中2.16米口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡由中國(guó)科學(xué)院、北京天文臺(tái)、南京天文儀器廠等單位共同聯(lián)合研制，于1989年正式投入使用，被譽(yù)為中國(guó)天文學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。2.16米望遠(yuǎn)鏡擁有卡塞格林和折軸兩個(gè)焦點(diǎn)，焦比分別為F/9和F/45，具備成像和光譜觀測(cè)能力?；谠撏h(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)做出大量具有高顯示度的科研成果。在云南2.4米望遠(yuǎn)鏡落成前，2.16米望遠(yuǎn)鏡一直是我國(guó)最大的天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

雙子望遠(yuǎn)鏡

雙子望遠(yuǎn)鏡是由兩臺(tái)完全一樣，但位于不同地點(diǎn)的望遠(yuǎn)鏡組成。其中一臺(tái)位于北半球夏威夷海拔4213米的莫納克亞山上，另一臺(tái)位于南半球智利海拔2722米的帕穹山上。兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡口徑均為8.1米，主鏡為單一鏡片，由超低膨脹率玻璃建造而成，表面精度達(dá)到15.6納米。單個(gè)主鏡厚20厘米，重達(dá)22噸。望遠(yuǎn)鏡配備有主動(dòng)光學(xué)、自適應(yīng)光學(xué)、多目標(biāo)光譜、激光導(dǎo)星系統(tǒng)等。兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡相互配合，其觀測(cè)天區(qū)幾乎可以覆蓋全天，只有南北極點(diǎn)附近天區(qū)無(wú)法觀測(cè)。圖為正在利用激光導(dǎo)星系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)光學(xué)校準(zhǔn)的南雙子望遠(yuǎn)鏡。

昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡

昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡是日本國(guó)家天文臺(tái)在夏威夷莫納克亞山建造的單鏡面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，主鏡口徑8.2米、焦距15米。主鏡采用零膨脹玻璃制造，厚度只有20厘米，重約22.8噸。鏡面精度達(dá)到14納米，相當(dāng)于人類頭發(fā)直徑的五千分之一，并配備了主動(dòng)光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。與常見(jiàn)的圓形圓頂不同，昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡的圓頂呈圓柱體，高約43米、直徑40米，并在頂部安裝有風(fēng)扇以改善空氣流動(dòng)情況。昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡于1998年建造完成，成為當(dāng)時(shí)最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

霍比-埃伯利望遠(yuǎn)鏡

霍比-埃伯利望遠(yuǎn)鏡（HET）于1996年落成，位于美國(guó)得克薩斯州的麥克唐納天文臺(tái)。它11米×12米的六邊形主鏡是由91塊六邊形的小鏡子拼接而成的（如圖），等效口徑9.2米、焦距13.08米。望遠(yuǎn)鏡朝地平高度55度仰望天空，在觀測(cè)過(guò)程中主鏡是固定不動(dòng)的，通過(guò)移動(dòng)安裝在焦平面上的終端設(shè)備對(duì)天體進(jìn)行跟蹤，跟蹤視場(chǎng)可達(dá)12度。這種結(jié)構(gòu)雖然限制了望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)天區(qū)，但大大減少了望遠(yuǎn)鏡的預(yù)算，整個(gè)望遠(yuǎn)鏡主體部分造價(jià)只有1350萬(wàn)美元。望遠(yuǎn)鏡還配備有主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)，在每枚小鏡子下面有3個(gè)促動(dòng)器，共計(jì)273個(gè)促動(dòng)器用來(lái)矯正主鏡的重力形變。

凱克望遠(yuǎn)鏡

1977年，兩位天文學(xué)家馬斯特和尼爾森提出了利用多鏡片拼接技術(shù)來(lái)制造大型地基天文望遠(yuǎn)鏡。1985年，凱克基金會(huì)捐資7000萬(wàn)美元用于凱克1號(hào)望遠(yuǎn)鏡的建造，經(jīng)過(guò)5年的建設(shè)，該望遠(yuǎn)鏡于1990年首次用于觀測(cè)，成為當(dāng)時(shí)世界上最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。凱克1號(hào)的成功吸引了更多的投資，凱克2號(hào)于1996年建造完成。兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的主鏡分別由36片口徑1.8米、厚7.5厘米、重0.5噸的六邊形鏡片拼接而成，等效口徑10米。兩臺(tái)凱克望遠(yuǎn)鏡坐落于夏威夷的莫納克亞山上，相距85米。2001年，兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡首次進(jìn)行了光學(xué)干涉觀測(cè)，其分辨率相當(dāng)于一臺(tái)口徑85米的望遠(yuǎn)鏡。

在21世紀(jì)到來(lái)之前，大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)達(dá)到了10米量級(jí)，比起一個(gè)世紀(jì)前又向前跨越了一大步。主動(dòng)光學(xué)、自適應(yīng)光學(xué)、數(shù)字電子技術(shù)以及光學(xué)干涉技術(shù)的應(yīng)用，大大推進(jìn)了天文學(xué)研究的發(fā)展。而在人類進(jìn)入21世紀(jì)后，這股趨勢(shì)繼續(xù)引領(lǐng)著望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)更多發(fā)展中國(guó)家也開(kāi)始加大對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)研究的投入，建造屬于自己的天文臺(tái)，新的臺(tái)址和新的望遠(yuǎn)鏡逐漸出現(xiàn)在全球各個(gè)角落。