超大望远镜将改变天文学

导语：它将成为迄今为止世界上最大的光学望远镜，同时也是一台强大的时间机器。

夕阳的色彩激发了位于智利北部高原阿塔卡马沙漠的欧洲南方天文台（ESO）的天文学家约瑟夫·安德森的灵感。他说：“它们开始时是非常蓝色和绿松石色的。然后渐渐地，当它变得更加紫色时，我们就离观测宇宙更近了。” 一旦夜幕降临，星空中弯曲的银河就占据了主导地位。如果有额外的时间留给他，超过海平面两千多米的高度，你的记者可能会被这壮丽景色所震撼。

阿塔卡马沙漠是多个不同的天文台的所在地，这并非偶然。这个地方远离文明地区的光污染，空气稀薄而干燥，有助于提高天文学家所说的“视野”。而且，这片沙漠每年有325个没有云的夜晚。安德森博士站在一个名为帕拉纳尔山的山顶上，向大家展示着非常大望远镜（VLT）。

VLT由四个独立的望远镜组成，每个望远镜都是世界上最大的之一，另外还有四个小得多的望远镜。它是地球上最高产的天文设施，每天产生不止一篇科学论文。在2004年，它拍摄了第一张系外行星的照片——绕着太阳以外的恒星运行的行星，并且是第一个追踪银河系中心巨大黑洞周围个别恒星运动的仪器。

但它可能不会再保持这个头衔太久。距离VLT一个小时车程，坐落着未完工的“极大型望远镜”（ELT）在位于3,046米高的塞罗·阿马佐内斯山的顶端，（ESO喜欢使用常见的名字）。与许多大型项目一样，ELT的进展有些滞后。但根据目前的计划，到2028年完工时，其造价达到15亿欧元（约合16亿美元），它将成为已知宇宙中最大的光学望远镜。ESO的天文学家罗伯特·德·罗萨表示，这将是“在观测天文学方面可以实现的重大改进”。

光学望远镜使用一系列镜片捕捉来自太空的光并将其重定向到各种仪器上。较大的镜片可以收集更多的光线，这意味着它不仅可以观测到更暗的物体，还可以以比较小的镜片更精细的细节来观察它们。

ELT的主镜将拥有39.3米的直径，比VLT的大型望远镜（8.2米）大四倍以上，也比目前的记录保持者——位于加那利群岛的10.4米格兰特莱斯科皮奥卡纳里亚斯大望远镜（GTC）——大三倍以上。由于望远镜的性能取决于其镜片的面积，仅仅看直径低估了差距。GTC的光收集面积约为75平方米。ELT将拥有978平方米，略小于四个网球场的面积。

这个尺寸将为许多天文学领域带来巨大的好处。ELT将揭示一系列问题，从黑洞在塑造宇宙大尺度结构中的作用，到暗物质和暗能量如何影响宇宙膨胀速度，甚至宇宙中的物理常数是否在广阔的星系间距离上是否真的是不变的。

此外，ELT还将大幅推动对太阳系外行星的研究。目前，大多数系外行星的存在是通过它们对母恒星光的影响来推断的，而直接拍摄这些行星的照片非常罕见。在已知的大约5500颗系外行星中，科学家们只拍摄了大约1%的行星照片。

时空相对维度

ELT的巨大镜片将使天文学家能够从数十光年之外分离出行星微弱的光线，而不受其母恒星的压倒性耀眼光芒的干扰。这将产生直接成像的大量数据。直接成像还将有助于揭示系外行星大气的化学组成，以及是否显示出潜在的外星生命迹象。

而且，由于望远镜也是时间机器，ELT将使科学家更深入地了解宇宙开始不久后发生了什么。由于光速是有限的，因此天文学家看到的远距离物体并不是今天的样子，而是光线首次传出时它们的模样。天文学家渴望利用ELT来研究宇宙年轻时恒星和星系是如何形成的。詹姆斯·韦伯太空望远镜（于2021年发射）的初步结果已经发现了一系列恒星和星系，似乎太古老，难以轻易适应现有的宇宙演化理论。ELT可以帮助解决这个谜团。

前提是一切都能正常运作。当你的记者参观时，将庇护望远镜的高80米的钢圆顶仍在建设中。每个镜片需要约20分钟的时间来升起并安装到位，还需要额外的六小时来拧紧每个镜片上的200颗螺栓。工作必须在夜幕降临之前完成，以免风吹松动一个镜片。一旦完工，整个5500吨的圆顶将能够旋转，以便望远镜可以随着星星在天空中移动而调整方向。

在智利从事天文学的一个不太好的一面是这个国家容易发生地震。因此，望远镜将浮在一层薄薄的油上。油层又位于数百个橡胶减震器之上，整个结构建在3米深的混凝土基础上。这将使圆顶既不受地震的影响，也不受旁边办公室和实验室的振动影响。

最令人印象深刻的部分是望远镜的镜片，ELT将拥有五个镜片。天文镜片是精密而脆弱的物品。即使是大型VLT望远镜的相对较小的镜片也如此沉重，如果不正确支持，它们会在自身重量下破碎。工程师必须使用15个挂钩的特殊吊索来升起它们进行清洁。

ELT的主镜太大，无法制作成单一块。相反，德国光学公司Schott将制作798个单独的镜片，它们将充当单一镜片。每个镜片都是微微弯曲的高科技玻璃陶瓷材料，几乎不会发生热膨胀。这些镜片在德国铸造，法国进行抛光，然后与荷兰生产的支架相配对，然后运送到智利。

每个镜片都经过检查，以确保它在运输过程中没有受损。ELT工程师里卡多·帕拉将这个过程比作敲钟。通过在玻璃中诱发振动，并通过加速度计在战略位置进行测量。然后，通过对它们进行几层化学处理，包括100纳米的银层来提供反射性。（纳米是米的十亿分之一）这层银被硅氮化玻璃的硬层保护，以防止其变色。即便如此，eso认为每个镜片都需要每两年重新涂层。

让所有798个镜片协同工作也带来了另一系列困难。为了产生可用的图像，每个镜片都必须保持在精确的位置，精度仅为几十纳米。每个镜片都由一套传感器和电机支持，这些电机可以微妙地改变玻璃表面的形状，以校正由于从小的温度变化到镜片移动和倾斜的角度改变引起的翘曲。

第四面镜子的作用是抵消地球大气的变幻莫测。当从地面观测星星时，它们似乎会闪烁，这是因为大气不断地扰动。欧洲南方天文台（eso）的仪器工程师弗雷德里克·贡特将这种效应比喻为凝视水的效果。“试着看游泳池的底部，你会发现它在移动，”他说。“大气也对我们产生了这样的影响。”

太空望远镜通过飞越大气来避免这个问题。地面望远镜可以依靠自适应光学技术。这涉及到改变镜子的表面以抵消大气带来的扭曲。这项技术并不是ELT独有的，许多现代望远镜都采用了这项技术，包括VLT的一个大望远镜（其他三个也正在添加这项技术）。

但是，由于ELT的巨大尺寸，它比较小型望远镜更容易受到大气扭曲的影响。ELT的第四面镜子后面有超过5,000个致动器，每秒会对其形状进行微小而波纹状的调整一千次以上。如果没有这些调整，ELT的图像将无望地模糊不清。

要准确计算镜子必须如何在毫秒级的时间内变形，需要天空中存在一个事先已知形状的物体。将望远镜实际看到的东西与应该看到的东西进行比较，可以揭示出那一特定时刻大气的状态，从而使系统对其进行抵消。通常，所涉及的物体是靠近研究对象的一个亮星。

但如果没有方便的恒星可用，天文学家可以创建一个人工的恒星。通过向上发射四束明亮的橙色激光束，它们汇聚在大约90公里高的一个单一点上，超过了大气最厚的层。因为系统确切知道伪造的恒星应该看起来像什么，它可以进行必要的镜面扭曲调整。

你可能认为一旦ELT开始运行，所有其他望远镜都将变得过时。但事实并非如此，因为即使像ELT这样的设备也无法做到一切。例如，夏威夷的双Keck望远镜曾经是世界上最大的望远镜，但它们的镜片只有相对较小的十米。但它们有一个优势，就是位于一个更高的山上，那里的视野甚至比智利还要好。而且它们有两个，这意味着它们可以同时为两倍数量的天文学家提供服务。

VLT和其他多镜望远镜还可以使用一种称为干涉法的技术，这是一种巧妙的信号组合方式，使分辨率不取决于单个镜片的大小，而取决于它们之间的距离。对于VLT来说，这个距离超过100米。然而，这种分辨率的提高以牺牲较窄的视野为代价。Gonté博士表示，ELT并不与像VLT这样的望远镜竞争，而是在补充它们。

无可替代

然而，当涉及探测最微弱和最遥远的物体时，纯粹的光学望远镜尺寸是无可替代的。在这一点上，ELT似乎在可预见的未来将是不二选择。计划中的继任者“压倒性大型望远镜”本来计划装备100米的镜片，但由于复杂性和成本原因，该计划在2000年代被搁置。

与此同时，“巨型麦哲伦望远镜”正在ELT以南数百公里的地方建设，位于美国非营利组织卡内基科学研究所拥有的土地上，计划在2030年代初首次启用。它将把七个大型镜片组合成一个有效直径为25.4米的巨型镜片，但即便如此，其光学接收能力也只有ELT的三分之一左右。

与此同时，美国、加拿大、印度和日本的科学家联合筹建了一座位于夏威夷的大型望远镜，名为“三十米望远镜”。正如其名称所示，这是一座巨大的望远镜，尽管仍然比ELT小。