地面上的望遠(yuǎn)鏡，比太空里的哈勃還強？
來源：
極客公園
日期：2021-03-29
責(zé)編：
殷緒江
3月中旬，巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡宣布已經(jīng)完成了第六塊鏡子的熔鑄。這個曾經(jīng)因工程量巨大而引起擔(dān)憂的巨型地面工程，在建成的路上再次邁出重要一步，讓人更加期待它投入使用的那一天。
據(jù)該項目的相關(guān)人員介紹，投入使用后，GMT捕捉到的圖像將比哈勃太空望遠(yuǎn)鏡清晰10倍，同時會比人們期待已久的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡清晰4倍。
哈勃望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)在外太空，已經(jīng)服役30年，不斷為人類傳送回許多讓人嘆為觀止的遙遠(yuǎn)恒星和星系的圖像，如今快要退休的它，一度被認(rèn)為是最強的空間望遠(yuǎn)鏡，而NASA耗資100億美元的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡則被認(rèn)為是比哈勃更強的接班人。巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡比這兩位太空望遠(yuǎn)鏡還強是什么概念？意味著從地面上看星星，將比在宇宙飛船上看星星還要清晰。
從地面到太空
作為人們與未知星空的連接橋梁，望遠(yuǎn)鏡的功能從誕生之初，就是幫助天文學(xué)家觀測未知的宇宙，要看的遠(yuǎn)，還要看的清晰。1609 年，伽利略制作了一架口徑 4.2 厘米的望遠(yuǎn)鏡，觀測到了凹凸不平的月球表面。這是世界上第一臺天文望遠(yuǎn)鏡，開辟了天文學(xué)的新時代，在今后的發(fā)展過程中，天文望遠(yuǎn)鏡按照不同波長和不同的設(shè)計和運作方式，可分為：射電望遠(yuǎn)鏡、紅外線望遠(yuǎn)鏡、光學(xué)望遠(yuǎn)鏡等。
射電望遠(yuǎn)鏡比如中國天眼，接收的是肉眼不可見的的射電波段，而光學(xué)望遠(yuǎn)鏡比如GMT和哈勃，則是接收可見光波段，形成具體的可視圖像。值得一提的是，哈勃望遠(yuǎn)鏡在接收可見光的同時，還能觀測到部分的紅外和紫外光線。因為捕獲的光的波長的范圍與人眼相近，更接近人眼觀察特點，我們目前看到的絢麗多彩的宇宙圖像，大部分都來自光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。但想要看到更清晰的宇宙，從地面觀察受限太多：地面和太空之間存在著一道天然屏障——大氣層，這是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡自誕生以來就一直面臨的問題，
初中地理知識：大氣層會吸收并且反射絕大多數(shù)來自太空中的紫外線、紅外線等各種電磁輻射，只有可見光，少數(shù)紅外線和射電波可以穿過大氣層到達(dá)地球表面。加上大氣層的流動循環(huán)，人們只能不斷選擇在更高的海拔，找尋更稀薄的云層，利用更好的觀測條件來建造天文臺。
1946年，在望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)的300年后，美國天文學(xué)家萊曼斯必策提出「如果人類能夠把天文望遠(yuǎn)鏡放在太空中，那么人類就有了一雙更厲害的眼睛，能夠看的更遠(yuǎn)。隨后，航天技術(shù)的進一步發(fā)展，這一設(shè)想最終變成現(xiàn)實，人類開始將望遠(yuǎn)鏡送入太空。
在隨后的幾十年中，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡問世，由于資金等問題，口徑從最初的預(yù)計的3米縮短至了2.4米，發(fā)射時間也不斷推遲。1990年，發(fā)現(xiàn)號航天飛機最終將哈勃望遠(yuǎn)鏡送上了太空，帶著探測宇宙深空，解開宇宙起源之謎的任務(wù)，哈勃在近地軌道一直運行至今。
太空望遠(yuǎn)鏡是一座人類天文史上的里程碑，這相當(dāng)于將眼睛直接放到太空，打開了全新的宇宙窗口，成功彌補了地面觀測的不足。目前哈勃的超深空現(xiàn)場則是天文學(xué)家目前所能獲得的最敏銳和深入的光學(xué)影像，是可見光影像中宇宙的最深處。而目前最有可能成為老兵哈勃的繼任者的詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡的主鏡口徑為6.5米，是哈勃望遠(yuǎn)鏡的2.7倍以上，聚集能力是哈勃的6倍，理論上，韋伯望遠(yuǎn)鏡甚至可以目睹宇宙的第一縷光芒。耗資巨大，被認(rèn)為是天文學(xué)未來的太空望遠(yuǎn)鏡，如今要被地面工程趕超了？
地面上的巨人家族
GMT為什么這么強？因為它夠大。對于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡而言，想要看到更遠(yuǎn)更暗的地方，就需要更強的集光能力，也就是更大口徑的鏡子。但太空望遠(yuǎn)鏡的高成本、運輸承載能力等技術(shù)限制，更大口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡目前只能建在地面。
從20世紀(jì)80年代開始，國際上掀起了制造新一代大型望遠(yuǎn)鏡熱潮，地基望遠(yuǎn)鏡中的巨人家族計劃問世。極大望遠(yuǎn)鏡計劃，指的是天文臺使用的直徑大于20米的望遠(yuǎn)鏡。包括在建中的39米口徑的歐洲極大望遠(yuǎn)鏡（E-ELT）和位于夏威夷的30米口徑望遠(yuǎn)鏡（TMT）等。
作為巨人家族其中一員，巨型麥哲倫只能排老三。GMT包含七個直徑8.4米的主鏡，一片中央主鏡片，6片離軸鏡片，像花朵一樣的排列方式，6個環(huán)繞在四周的鏡片能夠觀察到中心鏡片不能觀察到的任何角度的光線。因此，這種設(shè)計令這臺望遠(yuǎn)鏡將形成24.5米直徑的集光區(qū)域，這樣的集光能力足以在近160公里（100英里）外看到刻在硬幣上的火炬。而如今地面上最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是凱克10米級望遠(yuǎn)鏡，可以從10公里外讀出報紙上的標(biāo)題文字。
麥哲倫巨型望遠(yuǎn)鏡片排列方式效果圖 | GMT官網(wǎng)
80年代后，更輕薄的鏡面制作、分割鏡面以及主動光學(xué)技術(shù)出現(xiàn)。薄鏡面主動光學(xué)就是用一個動態(tài)支撐系統(tǒng)來進行控制主鏡形狀，通過改變主鏡形狀來補償由于外界力量，像風(fēng)、重力等帶來的扭曲，從而維持最佳成像狀態(tài)。從此，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡有了向更大口徑前進的條件。
躲過了口徑上的限制，是所有地面望遠(yuǎn)鏡都會遇到的問題——大氣。同樣的，口徑越大，集光過程中受大氣湍流的影響也就越大，眼前的「霧霾」會更重。對此，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的出現(xiàn)則相當(dāng)于給望遠(yuǎn)鏡戴上了一副矯正「眼鏡」。自適應(yīng)光學(xué)是一種智能的精密儀器，系統(tǒng)中的波前傳感器可用于檢測光波的失真，然后再對圖像實時計算和校準(zhǔn)，鏡片的厚度可以自動變形，用來應(yīng)對地面望遠(yuǎn)鏡遇到的大氣湍流問題。
巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡其中一面鏡子正在制作中 | GMT官網(wǎng)
目前39米口徑的歐洲極大望遠(yuǎn)鏡和位于夏威夷的30米望遠(yuǎn)鏡都正在建造中，因為工程量巨大，加上新冠疫情的影響，預(yù)計完工時間在不斷推遲。雖然排行老三，但作為巨人家族中第一臺開始施工，也是完成進度最高的超大型地面望遠(yuǎn)鏡，巨型麥哲倫如果按計劃順利投入使用，將成為世界上最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。
仰望星空
距離人類第一臺望遠(yuǎn)鏡發(fā)明至今，已經(jīng)有 400 多年。在漫長的發(fā)展過程中，從單片發(fā)展到多片，從地面觀測發(fā)展到上天巡視，從最初只有4.2厘米，到如今"世界上最大的天文望遠(yuǎn)鏡"的稱號數(shù)易其主。不僅是利用人眼可見的可見光進行觀測，現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡同時利用了射電波和×射線來探測宇宙的奧秘，但不論是地面望遠(yuǎn)鏡還是太空望遠(yuǎn)鏡，射電望遠(yuǎn)鏡還是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡等等，它們最終的目標(biāo)都是浩瀚的宇宙。
告別過去人們只能用肉眼進行天文觀測，望遠(yuǎn)鏡成了人類探索宇宙最有效的電子「眼睛」。
太空望遠(yuǎn)鏡曾經(jīng)一度打破了人類對宇宙的認(rèn)知，那些夜空中人眼無法觀測到的灰暗部分，被拍攝成清晰的圖片傳回地球，引來一片驚呼，但是這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
3月7日，NASA對外官宣稱哈勃望遠(yuǎn)鏡在再一次進入了安全模式。外界一直好奇哈勃究竟還能正常運行多久，可以肯定的是已經(jīng)超額完成任務(wù)的它離退休不遠(yuǎn)了。與此同時，詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡迎來好消息：已經(jīng)完成了最終的功能測試，預(yù)計將在今年10月份發(fā)射。這個NASA和歐空局最初預(yù)算5億，最終完工耗資將近100億美元的太空望遠(yuǎn)鏡項目，盡管發(fā)射時間一再推遲，但它將會幫助我們洞察宇宙的過去：從大爆炸之后的第一縷光，到銀河系的形成和演變。
巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡渲染圖 | GMT官網(wǎng)
我們是宇宙中唯一的智慧生物嗎？最初的星系是怎么形成的？宇宙最終將走向何方？不知道第一個仰望星空的人類，心中是否也帶著這樣的疑惑。探索外太空奧秘的腳步，從地面到太空，從試圖登天的萬戶，到如今好奇號登上火星，太空酒店概念誕生，下一步將會是如何，沒有人有確切的答案。但可以肯定的是，不斷發(fā)展的人類文明，將會探測到龐大神秘的宇宙中更多的色彩。
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