5年之后，巨型望远镜时代落幕

建设中的欧洲极大望远镜 来源：G. Hüdepohl (atacamaphoto.com)/ESO

作者  Phil Plait

翻译  宋秋舸

编辑  魏潇

*本文仅代表作者观点

试想一下：天文学家认为哈勃空间望远镜算是小家伙。

或许这会令你感到意外，因为在过去三十年里，哈勃空间望远镜拍摄的图像充满了深度和细节，已经超越了大多数地面望远镜的拍摄能力。因此，人们普遍认为“哈勃必定是有史以来规模最大的望远镜之一”。

然而，实际上，哈勃空间望远镜的镜面只有 2.4 米宽，规模并不算庞大。即便是如今拥有可以与哈勃相媲美的拍摄能力的詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST），其镜面也只有 6.5 米宽，在天文学家看来仅属于中大型望远镜。当然，这些望远镜是通过火箭送入太空的，因此其尺寸受到运输过程的限制。在地球上，存在一些更大尺寸的望远镜。例如，智利的甚大望远镜（Very Large Telescope）拥有 8.2 米口径的镜面，而夏威夷的双子凯克望远镜（TWin Keck Telescopes）每台都拥有庞大的 10 米口径镜面。此外，还有一些巨型望远镜正在建造中，包括在智利的巨型麦哲伦望远镜（Giant Magellan Telescope，拥有 7 个直径为 8.4 米的镜面，相当于一个等效的、单一直径为 22 米的镜面），以及夏威夷的三十米望远镜（Thirty Meter Telescope）。

眼下，正在建设的巨型望远镜中最为雄伟的要数欧洲南方天文台的“极大望远镜”（Extremely Large Telescope，ELT），它预计于 2028 年竣工，其巨大的镜面口径将达到惊人的 39 米。到那时，ELT 将远远超越任何地球上或地球之上的可见光和红外线望远镜，成为迄今最大的望远镜。

建成后的 ELT 想象图 来源：Swinburne Astronomy Productions/ESO

ELT 也很可能是后无来者的最大望远镜。归根结底，其原因是由于建造成本（不出所料）、工程技术和几何法则的不可动摇性所导致的。

其中最后一个因素决定性地限制了巨型望远镜的尺寸。天文学家有时将天文望远镜称为“光之桶”，因为它们如同在雨中的水桶一样，收集着从天空降下的光辉。“桶”越大，收集到的雨水就越多。通常，微弱的发光天体只会向地球洒下极少的光辉。而更大的望远镜能够收集到更多的光，因此，在理论上它能够观测到发光较微弱的天体、更遥远的星系以及更古老的恒星。经过数个世纪的观测，我们已经观测到了位于外太空中大多数的明亮天体，现如今，天文学的新边界现在在于寻找那些更昏暗的存在。

更巨大的望远镜还有另一项优势：其视野更为清晰，能够发现一些微妙的细节。比如说，如果一台望远镜的宽度是另一台的两倍，那么它就可以捕捉到多一倍的细微之处。这意味着我们能够看到的遥远星系不再只是微小的模糊斑点，而是更加细致的景象。

由于这些原因，天文学家永远想要更大的天文望远镜。然而，问题在于，一旦望远镜尺寸超过一定限度（大致在 8 米左右），那么它的铸造、抛光工艺和使用单一整体式的镜面将变得极为艰难——建造一个足以支撑如此巨大重量的结构成本过高。望远镜镜面的面积通常随着直径的平方增加，因此，一个直径为 10 米的望远镜相较于 5 米直径的来说，将拥有四倍的面积（以及大约四倍的体积和重量）。

ELT 的副镜毛坯，重达 3 吨 来源：SCHOTT/ESO

为了跨越这一阻碍，天文学家将目光转向了分段镜面。他们将数个较小的镜面巧妙地组合成一个更宽的整体。这些镜面通常呈六边形，因为六边形能够轻松地铺设成大型阵列。JWST 就是采用了这种排列方式。它背面的小电机可以对这些镜片的倾斜角度进行微调，以确保它们尽可能精确地组合在一起。更为奇妙的是，这些镜片相当薄，并且能够根据需要进行变形，以抵消地球大气引起的模糊效应。地球大气是一片翻腾的气体汤，它扭曲并散射来自宇宙的光线 ——这也就是星星为什么会闪烁的原因。此外，它还可以通过使用高度复杂的传感器和制动器，让这些镜片发生毫秒级速度的变形，纠正湍流，提升望远镜的分辨率。如今，地面望远镜通常使用这种“自适应光学”技术，来获得与哈勃和 JWST 一样清晰的图像。

ELT 的结构 来源：ESO

这些就是 ELT 之所以设计得如此巨大的奥秘：它将采用 798 块独立的镜片。其中，每一块镜片都拥有 1.4 米的宽度，并配备多个系统，可以通过传感器和计算机自动控制，实现运动和形状的变化。

该系统价格昂贵是理所当然的，以 2023 年的货币价值估计，ELT 总体基本成本约为 15 亿美元。建造这座“巨兽”的工艺技术也同样是世界顶尖。它需要一个高达 80 米、直径达 88 米的巨大穹顶，并在此基础上配备一个减震器，以缓和振动冲击。

这就是为什么 ELT 即使不是有史以来最大的地面望远镜，也将是最大的地面望远镜之一。未来或许可能会有大一些的望远镜，但是任何大型的天文望远镜都将付出多倍的代价，同时还伴随而来更多的工程难题。事实上，ELT 最开始起源于一个名为超大望远镜（Overwhelmingly Large Telescope）的概念，那是一个口径高达 100 米的巨型望远镜设计蓝图。但经过多番审查后，天文学家团队认为更适中的 39 米口径就已经足够了。

我们需要更大的望远镜吗？ELT 的尺寸是为了满足天文学界的科学需求。其中包括直接对附近的系外行星成像——包括与恒星距离合适、具备液态水存在的类地行星，以及回溯宇宙最早星系的时代。虽然更大的望远镜可以做更多的事情，但目前 ELT 已经处于天文学的前沿。或许在未来的某一天，它可能为人类建造更大的望远镜奠定了基础，但这一时刻还尚未到来。

ELT 所在地——智利沙漠 Cerro Armazones 的夜晚 来源：ESO/S. Brunier

然而这样的未来也许会被进一步推迟。天文学家可能会转而采用一种已有数十年历史的技术，该技术被称为干涉测量（interferometry），需要将相距较远的射电望远镜的观测结果结合起来，以模拟更大望远镜的分辨率。事件视界望远镜（Event Horizon Telescope, EHT）就是一架射电干涉仪，曾观测过银河系中心黑洞以及 M87 星系的黑洞。它联合了地球上的数个望远镜，有效地形成了一个相当于整个地球一样大的天文台。

虽然这听起来很不错，但对于可见光的观测来说，干涉测量主要存在两个问题。其一是它不会增加单个望远镜的面积，因此对于一些天文观测中的重要方面，例如观测微弱的光源等，仍然存在问题。另一方面，将观测结果与检测到的光的频率相结合的难度很大，因为其中可见光的频率远远高于无线电波的频率。尽管现在的技术已经使得彼此距离较近的望远镜实现可见光干涉法，例如智利甚大望远镜干涉仪使用四台相距几十米的 8 米口径望远镜，但要实现更长的基线是极具挑战性的，需要纳米级的测量精度。然而，如果最终可以通过更长的基线实现可见光干涉测量，那么将有望减轻对巨型望远镜的需求。

话虽如此，但如果有可能的话，天文学家们会想要更大的望远镜吗？答案显而易见是肯定的。而且成本可能还会低于一个小得多但更灵活的空间望远镜。

也许未来的技术能够克服制造巨型可见光望远镜的一些障碍。例如，我们可能会在月球上建立观测站，那里的重力较低而且缺乏大气层，与地球上的仪器建设相比具有巨大的优势。例如，曾有人提议在月球背面建造一座直径一公里的射电望远镜，使其坐落在月球陨石坑中，不受地球干扰。尽管射电望远镜比可见光望远镜的建造容易得多，但如果我们真的打算在月球上建造这样的设施，或许可以考虑建造一个能够探测可见光的庞然大物。虽然这只是一个梦想，但技术有将梦想变为现实的方式。

“永远”可不能用得太绝对。虽然 ELT 可能是有史以来最大的望远镜，并且可能会长期保持这一记录。但也许，“后无来者”的名号总有一天会被取代。

原文链接：

https://www.scientificamerican.com/article/astronomy-is-facing-an-end-of-the-era-of-monster-telescopes/