大口徑望遠鏡的創(chuàng)新嘗試：美國凱克10米望遠鏡

郭紅鋒

前面我們談過，大口徑望遠鏡的鏡面加工、檢測、面型控制、運輸、成本等因素，都限制了單口徑鏡面的制造。采用薄鏡面、主動光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)等現(xiàn)代技術(shù)手段研制的日本斯巴魯望遠鏡，做成單口徑8米已經(jīng)是上限了。隨著對宇宙研究的深入，科學(xué)家還想要更大口徑的望遠鏡，去探索更遙遠的宇宙。擴大望遠鏡口徑的技術(shù)又陷入了瓶頸，突破這個瓶頸需要更多的技術(shù)創(chuàng)新。拼接鏡面技術(shù)在大口徑望遠鏡制造上的應(yīng)用，是影響下一代大口徑望遠鏡發(fā)展的最重要的技術(shù)革新。拼接鏡面技術(shù)采用的是由多個小口徑的鏡面拼接成一個大口徑鏡面的技術(shù)。目前世界上最大口徑的望遠鏡——美國的凱克望遠鏡，就是采用拼接鏡面技術(shù)實現(xiàn)的，口徑達到10米級。

美國的凱克望遠鏡采用了拼接鏡面技術(shù)

凱克望遠鏡是目前世界上最大的天文望遠鏡之一

凱克望遠鏡安裝在太平洋夏威夷島海拔4200多米的莫納克亞山上。莫納克亞山頂海拔高、大氣清潔度高，年天文觀測晴夜多，是地球上最好的天文臺址之一，世界上許多一流的大望遠鏡都集中安裝在這里。

凱克望遠鏡耗資1.3億美元，主要由美國的企業(yè)家凱克捐助修建，是目前世界上最大的天文望遠鏡之一。凱克望遠鏡有兩架，分別為凱克望遠鏡Ⅰ（1991年建成）和凱克望遠鏡Ⅱ（1996年建成），都以它的出資建造者命名。凱克望遠鏡具有很高的分辨率，綜合觀測能力堪比哈勃空間望遠鏡，天文觀測精度可達到毫微米程度，極限星為22等。望遠鏡配備的主要后端設(shè)備（接收器）有近紅外攝像儀、高分辨率CCD探測器和高色散光譜儀等。

凱克望遠鏡最關(guān)鍵的技術(shù)革新就是采用了拼接鏡面技術(shù)，它的主鏡片由36塊單元小鏡面拼接而成。每塊小單元鏡面（厚度10厘米）為六角形，對角線直徑1.8米，拼接組合后的效果相當于一架口徑10米的反射望遠鏡。拼接技術(shù)的實現(xiàn)是依靠一臺計算機每秒兩次測量和控制各個小鏡面背后的促動器，從而使所有的小鏡片拼接組成的大鏡片面型精度誤差不超過4納米（約為幾個分子的大小，或約為人類頭發(fā)直徑的1/25000）。

整個望遠鏡的支撐和轉(zhuǎn)動部分，組成了一個由計算機來控制的系統(tǒng)。通過調(diào)整和控制，望遠鏡能夠精確地指向天空中的觀測目標。在望遠鏡的運轉(zhuǎn)過程中，36塊小鏡片各自的位置和形狀受控變化，但始終能夠維持如同一個整體10米口徑大鏡片的形狀。這種高精度的控制技術(shù)堪稱望遠鏡的革命，凱克望遠鏡就是這種新思路的代表作品。

拼接鏡面技術(shù)解決了大口徑望遠鏡的鏡面制造問題，主動光學(xué)技術(shù)解決了大口徑鏡面的形狀變形問題，自適應(yīng)光學(xué)解決了大氣湍流對星光波面的擾動而產(chǎn)生的成像精度問題。這些新技術(shù)的應(yīng)用為現(xiàn)代大口徑望遠鏡的發(fā)展立下了汗馬功勞。

激光導(dǎo)星是配合自適應(yīng)光學(xué)而引入的新技術(shù)。前面我們講過，自適應(yīng)光學(xué)是為了調(diào)整宇宙輻射來的光線被地球大氣湍流擾動而產(chǎn)生的波形畸變。但是， 怎樣才能知道望遠鏡對準的天區(qū)大氣湍流的實時變化以便跟隨調(diào)整呢？早期的辦法是在觀測目標附近選擇一顆比較亮的恒星（可以稱為參考星），用專門的儀器測量這顆參考星的星光穿過大氣層時受到大氣擾動而產(chǎn)生的星光波面的改變，再根據(jù)測量結(jié)果隨時控制改正鏡的補償量，最終可以使望遠鏡接受到的星光去除了大氣擾動的影響，得到了較高的成像質(zhì)量。

高精度的控制技術(shù)是凱克望遠鏡的優(yōu)勢之一

激光導(dǎo)星自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)有效擴展了凱克望遠鏡探測目標的范圍

這是一種很好的解決辦法，但星空中亮星并不多，實際觀測中很難找到合適的參考星。于是，科學(xué)家又想了一個人造參考星的辦法——激光導(dǎo)星。激光導(dǎo)星的方法就是人工往天上打一束激光，它能與高空大氣中的分子發(fā)生作用生成一個足夠亮的光斑，這個光斑如同亮星一樣（相當于一個小手電）照亮下面空氣中的大氣湍流，科學(xué)家就可以探測到這個大氣湍流的實時變化情況了。

凱克望遠鏡開發(fā)了激光導(dǎo)星自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)后，大大擴展了凱克望遠鏡探測目標的范圍，提高了成像質(zhì)量。經(jīng)統(tǒng)計，凱克望遠鏡在沒有激光導(dǎo)星的情況下，只有1%的待測目標是可以觀測到的。而開發(fā)了激光導(dǎo)星自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)后，能夠觀測到天空中待測目標的70%～80%，產(chǎn)生的圖像也比以前拍攝的圖像質(zhì)量提高了10～20倍，大大提高了凱克望遠鏡的效率和科學(xué)價值。

問題1：

你見過拼接鏡面在其他方面的應(yīng)用嗎？

問題2：

拼接的望遠鏡鏡面能無限擴大嗎？

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