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当天文学家将望远镜对准天空,观察遥远的超新星或类星体时,他们正在收集的光已经在太空中穿行了数百万甚至数十亿光年。即使是宇宙中巨大而强大的能源,当我们从如此遥远的距离观察它们时,也会变得难以想象的微小和微弱。为了了解大爆炸后不久形成的星系,以及附近更小、更模糊的天体,天文学家需要更强大的望远镜。谈话
 
对于需要极高灵敏度和尽可能清晰的图像的项目来说,最典型的例子可能是寻找其他恒星周围的行星,我们试图探测的天体非常接近它的恒星,亮度大约是它的10亿倍。寻找类地行星是下一代望远镜最令人兴奋的前景之一,并可能最终导致发现外星生命的特征。
 
研究型望远镜的探测器已经非常灵敏,几乎可以捕捉到每一个入射的光子,因此只有一种方法可以探测到更微弱的物体,并在更小的尺度上解析结构:那就是建造一个更大的望远镜。大型望远镜不仅能捕获更多的光子,还能产生更清晰的图像。这是因为光的波动特性限制了望远镜的分辨率,也就是衍射极限;图像的清晰度取决于光的波长和望远镜的直径。
 
作为光学科学家,我们对下一代望远镜的贡献是弄清楚如何制作巨大的镜子,他们依靠这些镜子来收集远处的光。这就是我们如何完善这项技术,使未来的天体物理学发现成为可能。
 
多个镜子
 
现在的问题是如何建造比现在的望远镜大得多的东西,这些望远镜的有效直径是8到12米(26到40英尺)。最大的挑战之一是制造一个更大的镜子来收集光线。
 
首先,它有助于了解望远镜的基本光学布局,智利正在建造的巨型麦哲伦望远镜(GMT)就是一个很好的例子。一个大的主镜收集入射光并将其反射到一个焦点上。光线被较小的副镜第二次反射,在位于主镜下方安全、可达的地方的仪器上形成图像,主镜记录下图像。
 
一个比8米大得多的镜子,由一整块玻璃制成,既昂贵又难以操作。参与建造巨型望远镜的每个人都同意,解决办法是用多个较小的镜子来制作主镜。多块玻璃被塑造成一个巨大的镜子,称为分段镜子。段之间的间隙是可以接受的,只要段的表面位于一个连续的近似抛物线的表面,称为父表面。
 
目前正在开发的三个超大望远镜(ELT)项目对这种分段主镜的设计做出了非常不同的决定。ELT中的两个,欧洲ELT和30米望远镜,采用了由夏威夷10米凯克天文台望远镜开创的方法——他们将用数百个1.5米的片段制作一个巨大的镜子。
 
第三个项目,巨型麦哲伦望远镜,采取了不同的策略。它25米的主镜将只有7个部分。它们是能制造的最大的单面镜子,8.4米(28英尺)的蜂巢状镜子我们在亚利桑那大学的理查德·f·卡里斯镜子实验室制造。格林威治标准时间3米的二次反射镜也有7个部分,每个部分与一个主反射镜部分配对。
 
又大又硬又轻

大的镜面部分保证了整个大面积的光滑表面。主镜中有越多的线段,它的精度就越依赖于它们精确的排列以保持它们在母镜表面上。由于主反射镜和副反射镜在GMT时是成对的,所以形成清晰图像所需的精细控制可以通过移动副反射镜的小而灵活的部分来实现,而不是移动8.4米长的主反射镜部分。8.4米的蜂窝镜的第二个优势是它的强大的遗产,包括用于目前世界上最大的望远镜,亚利桑那州的大型双筒望远镜。
 
使用大镜子的一个挑战是它会在自身的重量和风的力量下弯曲。这种镜子就像游艇上的船帆一样暴露在风中,但它只能弯曲100纳米左右,然后它的图像就会变得非常模糊。克服这个问题的最好方法是让镜子既实用又坚硬,同时限制它的重量。
 
我们通过将镜子铸造成一个轻量的蜂窝状结构来完成这一壮举。每面镜子的顶部都有一个连续的玻璃板和一个几乎连续的背板,每个背板大约一英寸厚。将两张纸固定在一起的是一个由半英寸厚的六边形肋板组成的蜂窝状结构。我们的蜂窝镜有70厘米厚,这使得它们足够坚硬,可以承受重力和风力。但它们有80%是中空的,每个重约16吨,足够轻,在自身的重量下不会明显弯曲。
 
制作镜像
 
我们首先把玻璃融化成一个复杂的模型,这就是我们想要得到的蜂窝镜的缺点。玻璃熔化时,熔炉以每分钟五转的速度旋转;离心力将玻璃表面推入凹面抛物线形状,这样就能将来自遥远恒星的光线聚焦。观看下面的视频,看看蜂窝模具的结构和纺丝铸造过程。
 
自旋铸镜表面还不具备制作清晰图像所需的光学质量。但是旋转使它的整体曲率更合适,也省去了我们从平面上磨出14吨玻璃的麻烦——几乎和成品镜子里剩下的玻璃一样多。
 
抛光表面
 
接下来,我们需要打磨表面,使其精确到光波长的一小部分,这样才能形成尽可能清晰的图像。镜子的表面必须与理想的近似抛物线的表面相匹配,达到大约25纳米——大约是人类头发宽度的万分之三。非常非常平滑;如果把这面镜子放大到北美洲的大小,最高的山将是一英寸高,最深的峡谷将是一英寸低。
 
为了指导我们的抛光, 杏耀娱乐总代团队教程,第一步是创建一个超精细的镜面轮廓图,步骤小于10纳米。作为我们的“标尺”,我们使用红色激光;它的波长约为630纳米,可以读取到约百分之一的波长。
 
测量仪器对镜面进行照明,采集反射光,下载杏耀比较不同位置反射光在镜面上的路径长度。从高点反射回来的光线比射到低点的光线路径要短。该仪器利用这些信息来构造镜子表面的等高线地图。
 
抛光的基本原理是用圆盘形的工具摩擦表面,有选择地将玻璃从过高的斑点上去除。像胭脂(氧化铁)这样的细小磨料通过机械和化学过程,一个原子一个原子地缓慢地除去玻璃。
 
计算是明确地从等高线地图上的高点上移除玻璃,例如让工具在那里摩擦更长时间。这对大于10厘米的鳞片是有效的。平滑是当你在粗糙的表面上摩擦一个硬的工具时发生的事情:工具自然地坐落在高的地方,并在那里删除更多的材料,即使没有任何来自等高线地图的指导。这在小于10厘米的范围内是有效的。当镜面是非球面时,这两种方法都比较困难,这意味着它的曲率在点与点之间变化,这正是GMT段的情况。

我们已经开发了几种新的抛光工具来解决望远镜大型镜面抛光的挑战。任何抛光工具的一个基本特征是,它的形状匹配的镜子表面的精度约1微米。背景中较大的工具是一个复杂的机电系统,当它在表面移动时,会改变硬铝圆盘的形状,因此它总是与镜子的局部曲率相匹配。
 
前景中较小的工具要简单得多。就像伽利略把嘉年华玩具改造成天文望远镜一样,我们的新想法来自于一个愚蠢的假设——一种非牛顿流体,在很长一段时间内像液体一样流动,但在很短的时间内像固体一样运动。我们利用这些内在属性来实现计算和平滑。
 
我们的工具,包含由薄橡胶膜片包裹的橡皮泥,在镜子表面缓慢移动,杏耀移动客户端同时快速地绕着自己旋转。傻乎乎的腻子在轨道的短时间内会变得很硬,这样就能把镜子表面上的小瑕疵抹平。随着时间的推移,在镜子上移动,橡皮泥很容易流动,所以工具总是符合表面的形状。结果,它以可预测的速度、以不随镜面移动而改变的可预测模式来移除玻璃。
 
在镜子实验室,我们在2012年完成了第一个巨大的麦哲伦望远镜部分。在对另外两面镜子进行了短暂的加工之后,实验室正在对第2和第3部分进行研磨。4段在2015年9月旋转铸造后刚刚冷却到室温。我们正在制造25米长的主镜。
 
把这些近乎完美的镜子从我们在亚利桑那州的实验室搬到智利的一个山顶,这是另一组挑战。他们在陆地上乘坐牵引式挂车,从加利福尼亚乘船到智利。安全运输的关键是将镜子的重量分散在数百个支撑点上,并在镜子和道路或船甲板之间有几层悬挂。
 
根据格林威治时间计划,到2022年,望远镜将安装四个部分,初步形成第一束光。我们希望从2024年开始,所有七个部分都能对宇宙进行扫描。
 
我们许多研究GMT的人认为它是打开宇宙新窗口的途径,就像哈勃太空望远镜(HST)在过去25年所做的那样。那个轨道望远镜是那些在它发射前几十年就在这个项目上工作的人送给下一代的慷慨礼物。HST的深空图像让地球上的许多人感到惊奇、鼓舞和鼓舞。GMT项目团队梦想为未来几代人传递类似的礼物。

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