南半球，海拔3000多米，沙漠山頂，一只“巨眼”要從這里仰望太空。

5月26日，歐洲極大望遠鏡（E-ELT）在智利北部開工建造，這是世界上最大的光學(xué)望遠鏡，其主鏡口徑39.3米，比一個籃球場還要長。

它讓人類看到更清晰的宇宙，E-ELT項目負責人蒂姆·德澤烏說：“現(xiàn)有望遠鏡與E-ELT之間的差距，好像伽利略以自己的裸眼與望遠鏡相比那么大?！?/p>

讓蒂姆如此自信的“巨眼”能“看”什么？怎么建？該怎么把比籃球場還大的主鏡裝上？又配備了哪些先進的科學(xué)重器呢？科技日報記者專訪了中國科學(xué)院國家天文臺南京天文光學(xué)技術(shù)研究所副研究員白華。

主鏡、副鏡、變形鏡，鏡鏡都不簡單

在美國亞利桑那大學(xué)有一個鏡面實驗室，它是世界上唯一能做出口徑8.417米光學(xué)望遠鏡鏡片的地方，“這是目前單鏡面望遠鏡有口徑極限。”白華說。

如果8.417米是單鏡片的極限，那么E-ELT的39.3米主鏡又是如何得到呢？“它是由小鏡子拼接完成的，”白華說，由于拼接主動光學(xué)技術(shù)的誕生和發(fā)展，原理上并不存在口徑極限?！氨旧鞥-ELT的雛形為100米望遠鏡，提交計劃時主鏡口徑42米，后因經(jīng)費問題縮減到39.3米?！?/p>

據(jù)了解，總投資10.55億歐元的E-ELT約40%預(yù)算都花在了鏡片上。除了由798面六角形的小鏡片拼接而成的主鏡，還有4塊尺寸不小的鏡片。

“拼接主鏡的子鏡口徑1.4米，為了讓E-ELT鏡筒盡可能短，主鏡采用了快焦比設(shè)計。這個設(shè)計中，主鏡的焦距和主鏡直徑大致相等，這直接造成了主鏡的子鏡加工難度大，”白華介紹。

近800面鏡片的拼接將異常繁瑣，那么，既然有8米的鏡片，為什么不用較大的子鏡拼接成主鏡呢？

“成本和吊裝難度是一個原因，1.4米的子鏡歐洲、俄羅斯、中國等很多國家都可以做，成本會下降不少，”白華介紹，另一個重要原因是，鏡片口徑超過6米之后，鏡面會受自身重力的影響，產(chǎn)生形變，如果校正這個形變，E-ELT系統(tǒng)將更加復(fù)雜。

主鏡之外，自適應(yīng)變形鏡同樣不易獲得?！白赃m應(yīng)變形鏡口徑為2.3米，目前世界上已成功研制的最大的自適應(yīng)鏡面口徑為1.2米，是裝配在歐洲南方天文臺的VLT望遠鏡的自適應(yīng)副鏡?！卑兹A說，“要將變形鏡口徑突破性地增加，我認為這一點是E-ELT建造上最困難的一點?！?/p>

檢測、調(diào)試、校準，與生俱來的“強迫癥”

包裹在望遠鏡之外的圓頂直徑將達到85米，整個望遠鏡平臺，包括鏡面與桁架結(jié)構(gòu)，重達3000噸，這個龐然大物需要在水平面靜靜地穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)360°。

798塊子鏡拼接成一體，每塊子鏡都要保持最好的狀態(tài)。

……

這些幾近苛責的需求，使得E-ELT能夠盡情施展自己的“光年眼”。要達成這些需求，完成微米不差的設(shè)計建造，必須“強迫癥”式的反復(fù)檢測、調(diào)試、校準，它們將成為未來7年的建造工作日常。

建造過程中最不容有失的部分將是主鏡的拼接?！鞍惭b鏡面時將進行粗調(diào)和精調(diào)，用波前傳感器檢測、促動器調(diào)整，采用拼接主動光學(xué)技術(shù)達成對鏡面的調(diào)控和校正?！卑兹A介紹，拼接主動光學(xué)技術(shù)在國際上屬于成熟技術(shù)，有多臺8-10米望遠鏡采用了這項技術(shù)，例如Keck望遠鏡，GEMINI望遠鏡等。

作為地基望遠鏡，另一個不得不提的系統(tǒng)是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，這個系統(tǒng)用于消除地球大氣造成的大氣湍流現(xiàn)象。

與發(fā)射到太空的著名“哈勃望遠鏡”相比，E-ELT的鏡前環(huán)抱著厚重的大氣層，這就好像從霧蒙蒙的車窗中拍風景，根本無法呈現(xiàn)太空的原貌。選址一開始，投建方就在糾結(jié)，智利、南非、摩洛哥、西藏、南極洲都曾作為備選地，考慮到建設(shè)、維護、配套的方便性，最終選定靠近帕瑞納天文臺的地方，山下是最干旱的地區(qū)之一——阿塔卡瑪沙漠，海拔3000米，空氣稀薄、干燥、無污染尤其是光污染，觀測環(huán)境質(zhì)量優(yōu)。

“望遠鏡口徑越大，望遠鏡成像質(zhì)量受大氣湍流影響越大，”白華說，因此8—10米級以上的望遠鏡通常配備自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)?！坝糜谛Ｕ髿馔牧鞯闹饕皇亲冃午R，變形鏡關(guān)系到整個自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的校正能力和校正精度。一般來說，望遠鏡口徑和觀測視場越大，變形鏡的口徑越大?！?/p>

這個不簡單的變形鏡，由很多單元組合而成，每個單元都有自己獨立的控制器，“E-ELT的變形鏡需要8000個促動器，”白華表示，在外加電壓控制下，變形鏡可以改造望遠鏡接收到的波面的面形，作為波前校正器件校正波前誤差。

“望遠鏡竣工之后，仍要繼續(xù)進行調(diào)試校正，”白華說，不要認為2024年竣工就可以馬上投入使用，“那個時候只是‘初光’，即第一次捕捉到來自宇宙的光波，還要至少一到兩年的調(diào)試才能正式使用。”

強聚光、高分辨，“光年眼”開啟一個時代

資料顯示，E-ELT將裝載高分辨率光學(xué)光譜儀、追蹤多目標的廣角近紅外集成視場光譜儀、具有極高自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的行星成像儀和光譜儀、限制衍射的近紅外照相機等設(shè)備。其中，用于拍照的近紅外照相機，分辨率是NASA未發(fā)射的空間望遠鏡“詹姆斯·韋伯”的6倍，“哈勃”16倍以上。

“之前認為是一個‘點’，用E-ELT就可以區(qū)分開是兩個甚至幾個‘點’，”白華解釋，這就是分辨率高。

有了超大主鏡和重器的支撐，E-ELT將接收到之前無法感知的遙遠天體發(fā)射出的光波。有天文愛好者這樣評價，就聚光能力衡量，E-ELT是當今頂級望遠鏡的13倍，比單架甚大望遠鏡（VLT）強大26倍，比400年前伽利略制造的望遠鏡強800萬倍，比人類肉眼強1億倍！無怪項目負責人蒂姆有底氣把其他望遠鏡“輕視”為裸眼。

“E-ELT還能夠獲得天體的高分辨光譜，有了光譜，才能知道某個天體距離我們有多遠?！卑兹A說。

此外，ELT的目標之一是搜索太陽系外可能存在生命的行星。人類目前只發(fā)現(xiàn)近2000顆系外行星。由于行星不發(fā)光，在強光的恒星身邊環(huán)繞，“燈下黑”的境遇讓發(fā)現(xiàn)行星非常困難。然而，ELT能夠呈現(xiàn)更大的影像，甚至能直接測量那些行星大氣層的性質(zhì)，這將大幅提升搜索可能生命行星的效率。（記者 張佳星）

巨眼觀宇宙：歐洲極大望遠鏡能看到些什么？

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