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遥望宇宙的千里眼:巨型麦哲伦望远镜

(2008年02月28日 00:54:35)

□作者: W·韦特·吉布斯

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  当玻璃在罗杰·安喜尔最新的巨型镜上冷却,他将坚持提升望远镜的设计。他的下一台望远镜,甚至有可能在茫茫的宇宙中,寻找类似于地球的行星。

  1984年,天文学家罗杰·安吉尔(RogerAngel)创建了亚利桑那大学史都华天文台镜片实验室。不久,他就把一些盛着奶油冻的派莱克斯玻璃杯扔进后院的熔炉中,想摸索一下硼硅玻璃是如何熔化的。从此,他就一直在“玩火”。在图森市7月一个炎炎夏日,他的第七块巨型镜片在重达200吨的旋转炉中成形。该旋转炉安装在校园橄榄球体育场下面,经过一周的加热,炉中的硼硅玻璃块已经达到1170℃,开始熔化,熔化的玻璃液被浇灌到几个六角柱形铸模中,以铸成一个重达21吨的蜂窝结构,其直径达到8.4米,高约1米,各处的厚度均不超过3厘米。

  安吉尔通常都呆在控制室里,紧张地注视着炽热发红的圆盘传送带,它每分钟转动5次,这个转速刚好能够把玻璃蜂窝结构的固体顶部拉制成理想的圆滑曲面。毕竟,对安吉尔来说,这个过程既代表着天文学也代表着巨型麦哲伦望远镜(GMT)的新纪元诞生,这台巨型望远镜由7块巨型镜片组合而成,具有复杂的控制机制,性能将胜过哈勃太空望远镜。安吉尔他们第一次浇铸这么大尺寸的镜片时,铸模泄漏了两吨玻璃,使工作耽搁了数月。安吉尔解释说,麦哲伦望远镜的第一块镜片制作很难把握,因为“要把它弯曲成一种高难度的极端形状,以前从未有人制作过这么大尺寸且又是这种形状的镜片”。

  但是当天上午,安吉尔不得不离开控制中心,匆匆赶往一家旅馆,到那里去说服掌管科学基金的某些豪客,让他们相信这台巨型麦哲伦望远镜价值4亿美元。巨型麦哲伦望远镜的合作伙伴——卡内基天文台台长温迪·弗里德昱(WindyFriedman)说,她对安吉尔和他的镜片浇铸能力充满信心。身为宇宙学家,弗里德曼渴望使用这台巨型望远镜,揭开关于恒星和星系形成之前的“暗能量”和“黑暗时代”的未解之谜。但是,这些并非是令安吉尔最兴奋的问题。

  “我参与此事,是因为我们在过去的两千年里一直在寻找另一个地球,而这个望远镜看来有可能首次找到围绕其他恒星运行的类地球行星”,因为在美国生活了近40年,他的英国口音已经略有改变,“你现在可以坐下来,认真计划你需要哪种望远镜来使类地球行星成像并接收其光谱”,以便寻找液态水和外星生命的化学信号。

  安吉尔在拿出巨型麦哲伦望远镜的基本设计前,就做了一些这方面的计算,他预测:只要有一点点运气再加上奇妙的技术,也许就能从恒星的闪光中得到类地球行星的证据。他那具有非常规特性的设计方案,就是把这些初级聚光镜布置成雏菊花瓣的结构,周围的6块镜片围绕着中心的一块,形成对称,每一块镜片在形状上都明显偏向一方。加州理工学院拥有两台直径达到10米的凯克望远镜,它们是目前世界上最大的望远镜。但是采用这种装配方式,巨型麦哲伦望远镜所收集的恒星之光,将会是任何一台凯克望远镜的4.6倍。

  为了抓拍这样一些行星的清晰照片,巨型麦哲伦望远镜将采用先进的自适应光学系统成像,图像的清晰度是哈勃望远镜的10倍。每一块初级聚光镜将把收集到的光子聚焦在一块直径为1.1米的独立二级反射镜上一块连接着672个触发器的薄膜。然后,计算机将通过每秒1000次的微调来适应每一块二级反射镜的形状,以抵消大部分的大气模糊效应。去年夏天,安吉尔及其同事在这台多镜片望远镜上安装了一套类似的自适应光学系统,并通过演示证明它能把这台仪器的分辨率提高到其理论最大值。


  “当我们开始介绍巨型麦哲伦望远镜计划时,很多人告诉我们说这根本行不通。”史都华天文台台长彼得·A·施特里特马特(Peter
A.Strittmatter)说。安吉尔在20年前曾遭到过同样的怀疑,当时他和同事尼克·伍尔夫(NickWoo,K)首次提出采用蜂窝结构制作大尺寸聚光镜,这个战略方案能将望远镜的重量降低4/5,在夜间气温下,半小时之内也能把镜片固定好。

  但事实证明这个想法是可行的:作为证据,弗里德曼指着麦哲伦双筒望远镜(它是巨型麦哲伦望远镜的前身,装备了两块安吉尔在10年前制作的镜片,如今在智利安第斯山脉的—个山顶上工作)声称:“它们都是世界上最好的自然成像望远镜,绝无仅有。”然而,制作这样的镜片非常复杂,亚利桑那镜片实验室仍然是世界上唯一一家能制作这种形状且又是大尺寸镜片的机构。

  尽管巨型麦哲伦望远镜不乏大名鼎鼎的合伙者支持,包括卡内基研究所、哈佛—史密松天体物理中心和5所重点大学,但它同样要与其他几个巨型望远镜项目竞争资助。比如其中一个是按比例放大凯克望远镜的分段式镜片设计,加州理工学院和其他机构想建造一台直径30米的凯克望远镜;另一个是欧洲南方天文台正在制定的计划,该计划将斥资12亿欧元来建造直径为100米的OWL——超大型天文望远镜。

  安吉尔说:“也许角逐会异常激烈,因为只有一家能得到资助。”他称:“为了抢占先机,巨型麦哲伦望远镜的支持者选择了将2000万美元的启动资金几乎全部用于这台望远镜的第一块非轴心镜片上。他说:“所有其他正在考虑建造真正大型望远镜的组织,还在起草谈判要点,我们已经率先做出了实际行动。”

  这个障碍差不多已经排除,安吉尔开始把注意力转向别处。弗里德曼说:“等别人进入设计阶段时,罗杰已经转到下一件令人兴奋的事情上去了。他满脑子都是创新望远镜建造方式的想法。”现在,那些想法已经涉及安置在外层空间、地球两极和月球上的大型望远镜。

  在最近的文章中,安吉尔把南极中部一片海拔3300米、称之为“圆顶C”的高原吹捧为近乎理想的观测点。他热情地说:“与地球上任何其他地点相比,在圆顶C,对于所有以地面为基点的天文学重要因素都要好一倍以上。”去年,那里的极地基地竣工,成为人类的边远前哨中平均刮风最少、温度最低和空气最干燥的地方。尽管美国国家科学基金会最近拒绝了在南极建造一台直径为2米的望远镜的建议,但是安吉尔仍然坚持他的想法。他争辩说:“在那里建造一台直径为100米的望远镜,效果堪与在太空里观测媲美。”

  当然,太空也有诱人的地方。据安吉尔分析,如果能在月球南极附近的一个火山口,用旋转式液体池作为反射镜,建造一台直径为20米的月球望远镜将会有诸多优点。他承认:“在月球上安装东西的想法使大多数天文学家感到紧张,因为这意味着骑在虎背上。”但是通过长期观测月亮上方的同一片天空,这样的一台望远镜有可能窥视到可视宇宙的真实边缘。

  即使巨型麦哲伦望远镜得到资助,要在下一个10年的中期之前看到它接收的第一束光也未必可能。安吉尔现年64岁,想要活着看到自己那些雄心勃勃的设计得以完成,希望比较渺茫。但他毫不在乎,他说:“这就像建造教堂一样,这么宏大的工程,你不能奢望在活着时看到它完成。”(译/徐彬)

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文章作者:W·韦特·吉布斯
责任编辑:skylook

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