天文望遠鏡是人類觀察宇宙的眼睛，我們今天所了解的宇宙信息，大多數都來源于天文望遠鏡。可以說，如果沒有天文望遠鏡，就沒有現代天文學。我們熟知的中國天眼fast、哈勃空間望遠鏡、詹姆斯·韋布空間望遠鏡，就是其中的代表。它們有個共同的特征，就是看起來像一口大鍋。

大鍋，其實就是為了盡可能多地收集遙遠宇宙的暗弱信號，鍋的直徑被稱為望遠鏡的口徑，口徑越大，望遠鏡收集信號的能力就越強，探測距離也就越遠，成像也會更加清晰明亮，因此剖面的大鍋可謂是望遠鏡最核心的部件之一。

傳統望遠鏡的鏡面都是用固體材料做成的，2022年底有個新聞說，在喜馬拉雅山脈南側，全球最早的液體鏡面望遠鏡已經睜開了眼睛，開始觀測宇宙。這個望遠鏡為什么用液體做鏡面？液體鏡面望遠鏡有哪些好處和弊端呢？未來液體鏡面望遠鏡還能在探索宇宙的路上發揮哪些重要作用？

這個望遠鏡的名字叫國際液體鏡面望遠鏡，簡稱ILMT，是由比利時、加拿大、印度等國家聯合建造，位于喜馬拉雅山脈南麓海拔2450米處。這是一臺口徑4米的光學望遠鏡，它的口徑超過了哈勃空鏡望遠鏡，也超過了我國未來要發射的空間站巡天望遠鏡，這兩個望遠鏡的口徑都是2.4米。它的口徑也超過了我國現有最大口徑的民用光學望遠鏡——云南天文臺麗江基地的2.4米望遠鏡，以及國家天文臺興隆基地的2.16米的望遠鏡。

北京天文臺射電天文望遠鏡（配圖來自圖蟲網）

對于望遠鏡來說，口徑越大，它的加工和制造工藝就越復雜，成本也就越高。一般來說，望遠鏡的口徑增加一倍，研制難度和成本可能增加好幾倍，甚至十幾倍。那么這也是為什么我們國家有幾十臺1米口徑的光學望遠鏡，但是2米口徑以上的民用光學望遠鏡屈指可數的原因。

望遠鏡研制的一個關鍵難點，怎么把大鍋給加工出來？負責收集光線的大鍋，加工要求極高，要求鏡面盡可能接近理想的拋物面構型。光學望遠鏡鏡面面形精度要求至少在1/30波長，大約是20個納米。這是什么概念？舉個例子，如果要將1塊4米口徑的鏡面放大到我們北京市這么大小，它的地面平整度需要小于1毫米才能滿足要求。熱脹冷縮、重力這些因素都會導致鏡面的變形，望遠鏡的口徑越大，鏡面保持精度就越困難，所以望遠鏡鏡面加工工藝的要求是非常高的，要經過熔煉、鍛造、打磨、拋光、鍍膜等一系列非常復雜的工藝過程，才能打造出一個理想的剖面的光學鏡面。

液體鏡面就容易多了，想象一下，如果你用一根筷子攪動一個水杯里的水，那么杯子中間的水就會涌向四周，從而形成一個轉動的畫面。跟望遠鏡大鍋的剖面非常接近，這個基本原理就是在重力和離心力的作用下轉動的液體，會自動形成一個理想的拋物面，這也是液體鏡面望遠鏡的基本原理。通過轉動一個圓盤里的水銀，就可以形成理想的剖面，用來聚集光線旋轉液體的鏡面。盡量使用接近剖面形狀的容器，這時候液體的使用量非常小，它的厚度還不到1毫米。

液體鏡面最大的好處，就是它的成本非常低，因為它不需要像固體鏡面那樣經過高難度的加工過程，只需要按照一定的轉速，轉動一個圓盤里的水銀，就可以形成非常理想的拋物面。4米口徑的國際液體鏡面望遠鏡，它的成本只有200萬美元，而距離它不遠處的一個口徑3.6米的光學半徑，由同一家比利時公司在同一時間建造，它的價格大概是1800萬美元，成本幾乎相差了10倍。

但是液體鏡面望遠鏡也并非是萬能的，理想的拋物面的形成，是重力和離心力平衡的結果，因此液體鏡面望遠鏡并不能隨心所欲的指向任何方向，它只能觀測天頂的天空。如果你想操縱望遠鏡到處看，那液體鏡面望遠鏡可能并不適合你。

未來人類還計劃在南美建設8米口徑等更大口徑的液體光學鏡面望遠鏡，科學家甚至還考慮在月球上建設口徑100米的液體鏡面光學望遠鏡，屆時將可以看到宇宙大爆炸以來形成的最早的恒星，為人類探索宇宙提供更亮的眼睛。

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：李明濤

審核：周炳紅

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

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