一项新记录:世界上最大的光学望远镜正在准备完成

摘要: 世界上最大的光学望远镜正在准备完成

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【博科园-科学科普】如果你想了解更多关于宇宙的知识,你可以做的只有这么多,可以改善你的光学和视觉系统使你的镜子比以前更平滑和更无缺陷。你可以通过自适应光学或优化天文台的位置来改善条件。也可以使用相机/ CCD/ grism技术使你的望远镜能够收集到的每一个光子。主镜越大,就能越深,越快,分辨率越高也就能在宇宙中看到更多东西。

这个艺术图显示了在智利北部的Cerro armazone的一个非常大的望远镜的夜景。该望远镜使用激光在大气中制造出人造恒星。图片版权:ESO/L. Cal?ada


目前世界上有许多10米(33英尺)直径的光学望远镜,巨大的麦哲伦望远镜25米(82英尺),在短短几年内就打破了这一记录。但一个更雄心勃勃的项目即欧洲南方天文台(ESO)在2014年开始建造的直径为39米(128英尺)的巨型望远镜(简称ESO),到本世纪20年代中期的时候将超过记录。

在2016年公布的这幅作品的建造设计,完成的望远镜的基础,在大约7年的时间里它的圆顶将打开。图片版权:ESO/L. Cal?ada/ACe Consortium


它不仅会以比哈勃望远镜更清晰16倍的图像和256倍的光能收集能量,但它将使我们能够用我们现有的仪器来做那些深不可测的科学。我们可以直接探测来自外太阳系行星的光——行星围绕着我们自己的恒星周围并在光谱上分开,分辨出它们的大气中有什么。对于所有最接近恒星的行星来说,我们甚至可以看到这些行星的第一个直接图像。它还将拍摄宇宙中最遥远、最早的星系的前所未有的图像,在其他星系中心的超大质量黑洞,将在新形成的恒星周围的原行星盘中探测到水和有机(碳基)分子,它将探测暗物质和暗能量的性质和性质。有了这么大高质量的望远镜,就有了更多的新科学。

演化后的原行星盘有很大的空隙,围绕着年轻的恒星HL Tauri。左边的阿尔玛形象,右边的VLA形象。在这种情况下像这样的原行星盘的新视图,包括在光学上,将成为可能。图片版权:Carrasco-Gonzalez, et al.; Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF


关键是主镜的大小和质量,光学的项目经理——望远镜的项目经理马克·卡瑞尔(Marc Cayrel)说:为了建造这么大的望远镜需要建造一个有效的表面,它的形状是正确的,直径为39米,中心有一个大洞,相当于1000平方米。(相比之下,哈勃的面积是4.5平方米。)表面需要平滑到令人难以置信的7.5纳米:只有它收集的光波长的1 / 100。不能构建一个大到那种平滑程度的单镜像,因此唯一的选择就是在片段中进行。SCHOTT生产的材料制成独特的低膨胀ZERODUR?材料,然后由SAFRAN-REOSC抛光,将拥有人类历史上比任何光学望远镜最大的主镜。

这幅航拍图像显示了欧洲超大望远镜的主镜的1:1比例模型,它是在意大利阿西哥附近的阿西哥天体物理学观测台旁边组装的。这种分段结构对于这种尺寸和重量的望远镜来说是必要的,特别是在理想的光学精度上。图片版权:ESO/Sergio Dalle Ave & Roberto Ragazzoni (INAF-OAPD)


在一个令人难以置信的技术成就中,主镜将由798个六角形的部分组成,每一个都是1.4米的大小,从角到角测量每一段只有50毫米(大约两英寸)厚,下面的力学,形成一个完整的集合,可以从望远镜里移动。每个单独的部分都可以被抛光到7.5纳米的平滑度(这是均方根平滑度),实现光学目标。这种平滑度的最大优点是图像质量,因为你需要的是光线波长的极小部分,以便进行高对比度成像,特别是对于那些遥远的物体。然后,一个特殊的反射涂层被物理地添加到顶部,以充分利用每一个进入和撞击主镜的光子。

一个完整的切割和抛光的1.4米的部分。图片版权:? SCHOTT

制造抛光和建造这些镜子和组装将需要大约7年的时间,因为这个地方需要800个左右。因为他们六角形(六面)镜子镜子需要完成一个特定的几何形状,这意味着有133个独特的形状需要完整的镜子798÷6 = 133。如果没有按照镜子形状要求的渐变来制作它们,就会有光学像差,这是哈勃太空望远镜的原始缺陷!但是涂层本身是脆弱的和临时的,必须在现场进行。所以这意味着你需要一个专门的生产设施可以每天在那里制作一个镜像涂层;即使是这样,也要花两年的时间才能把所有的单镜望远镜都准备好。

哈勃的原始视图(左)与镜像缺陷的前后对比,以及正确的光学后的修正图像(右)。图片:NASA / STScI


在地球上镜子上的反光膜会被磨损。尽管镜子的光学质量在几十年的时间内是稳定的,但额外的层只有18个月左右,直到需要维护为止。这意味着要完全剥离镜子涂层,并在连续的基础上涂上一层新涂层。即使你可以每天更换一到两个望远镜——因为望远镜只在夜间使用——你不可能把所有的部分都保持在连续的操作中,只有798个望远镜的镜子。相反需要制造一个“额外的”133个镜子,每一个独特的形状,这样就可以更换镜子,需要重新修复和重新编码,而不危及整个望远镜,总共有931个镜子。


当然需要一个额外的存储设施用于133个镜子,一个现场的剥离和重新编码设施,当你没有看到天空的时候,基本上把你的天文台变成一个工厂。这个拼写的计划是,每天都要有一个连续的维护状态,用一个新重新编码的镜子代替镜子,这意味着它每天晚上都可以进行连续的操作。

这张图展示了ESO超大望远镜(ELT)的新型5 -镜像光学系统。在到达科学仪器之前,光首先从望远镜的巨大的凹凸的39米分割的主镜反射(M1),然后又反射出两个4 - metrea级的镜子,一个凸(M2)和一个凹面(M3)。最后的两个镜子(M4和M5)形成一个内置自适应光学系统,允许在最终的焦平面上形成非常清晰的图像。图片:ESO


即使有798个完美的配置抛光和涂层的镜子,挑战还没有结束,不只是需要每个镜像段的高精度表面,需要同样的精度在所有的镜子组合,同时为了使镜面的容忍度降低到精确的程度,需要考虑到地球的重力会使镜子变形,温度的差异和波动。三个位置执行器可以对齐每一个分段装配的高度,尖端和倾斜,这将使镜像连续不断地对齐:最多每秒4次。但其他必要的对齐方式来自于一个9个执行器扭曲的线束,它位于每个镜子的底面。这些执行器应用扭矩来补偿每面镜子的变形,在这种情况下形状和曲率可以被优化,产生所需的纳米级精度。根据所观察到的和热环境的情况,可以根据需要进行多次调整。

这不仅仅是需要倾斜、扭曲和指向的装配结构,而是每个镜子背面的执行器。这是实现所需的7.5纳米精度的唯一方法,不只是在每个镜子上,而是在主阵列中的每一个镜子之间。图片版权:ESO/H.-H. Heyer


接下来需要创建要实现的整体镜像的形状:我们称之为主镜像的“设定值”。通过观察一颗星星并分析它从镜子上反射回来的光线,就可以确定每一个798个镜子如何相对移动以达到完美的焦点。一旦完成了校准镜子都被认为是锁相的。在夜间这个设置点将被用于观察,在整个过程中获得非常好的准确性。


但是要在你的观察中保持这个集合点,你需要对单个的镜子做出微小的、持续的调整。气温将会变化,重力,将会有内部振动给望远镜组装,甚至会有大量的风效应,这就像在湖边或池塘里看到的波纹,如果需要一个非常光滑的表面必须清理那些。对每一面镜子做很小的调整每秒钟大约每秒4到5次,这会使你在整晚保持锁相和在那个设置点上达到7.5纳米精度。

每面镜子都是一个形状很好的圆形圆盘,133个“点”中的任何一个都有正确的渐变,它将在主镜阵列中占据。只有在抛光到7.5纳米的公差后,镜子才能被切割成1.4米的六角形部分,最后的涂层随后应用于此。图片版权:SCHOTT/ESO


在个体镜像部分和边缘效应之间也会有空隙,毕竟有798面镜子,每面有6条边,这几乎是5000条边!很难将镜面均匀地打磨到边缘,否则你会在边缘处被“折光”。为了克服这一点将一个直径1.5米的圆盘抛光,然后雕刻出1.4米的六角形部分,然后再涂上你的最终涂层。尽管如此六边形的部分,即使在每个部分之间只有4毫米的差距,也会创造出无法避免的图像伪迹:衍射峰值。与哈勃望远镜不同,它的每颗恒星有四个尖峰,由于六边形的间隙它将有6个。

这颗恒星为气泡星云提供动力,其质量约为太阳质量的40倍。注意由于望远镜本身,衍射峰值会干扰附近细微结构的详细观测。图片:NASA, ESA, Hubble Heritage Team


即便如此在这方面也有一些技巧。如果想象一些非常遥远或广阔的领域,那么这些峰值几乎是无法察觉的。但如果想要想象一些微弱的东西,那很接近明亮的东西,那就是当峰值的时候通过将gap - space最小化作为表面积的函数- - - 99%的望远镜表面是镜面- - -可以帮助减小峰值的大小。通过使用剪切成像可以在两个图像上有轻微的错误定位然后再减去它们,可以去除这些衍射峰值的大部分影响。

这个巨大的望远镜直径39米的主镜,将是世界上最大的眼睛,当它在未来10年开始运作的时候,它将成为世界上最大的光学望远镜。这是一个详细的初步设计,展示了整个天文台的解剖结构。图片版权:ESO


它的大小,它的力量,它的重量以及它的复杂性都是不可能的建造——重新完成”的望远镜。需要在整个晚上不断调整以保持最佳镜面形状,它需要在夜间重新校准,以达到完美的设定值,它需要每隔18个月重新编码,以保持理想的平滑度和反射率。但如果你做了所有这些,你就会使用最优的技术和仪器——从对光学的角度跟踪到自适应光学到成像方法——它有能力超越所有其他光学望远镜,无论是在地球上还是在太空中。这将是一个令人难以置信的技术成就,完成时需要持续的工作来维持。但我们从它所得到的科学将与我们的世界所见过的其他任何事物都不同。

在智利阿塔卡马沙漠的一处3046米的山顶上,艺术家对巨型望远镜(ELT)的印象。这台39米长的ELT将是世界上最大的光学/红外望远镜。图片:ESO/L. Cal?ada


参考:NASA,ESO等

作者:Ethan Siegel(天体物理学家)

来自:Forbes science

编译:中子星

审校:博科园

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