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        美國(guó)西南部重要觀測(cè)基地概覽(二)

        2014-04-15 08:22:10弗吉尼亞大學(xué)天文系
        天文愛好者 2014年5期
        關(guān)鍵詞:主鏡圓頂山火

        □ 弗吉尼亞大學(xué)天文系 孫 萌

        美國(guó)西南部重要觀測(cè)基地概覽(二)

        □ 弗吉尼亞大學(xué)天文系 孫 萌

        圖1 晨光里的大雙筒望遠(yuǎn)鏡(圖片來(lái)源:LBT天文臺(tái))

        在結(jié)束了勞累卻又興奮的第一天參觀行程后(參見《天文愛好者》第三期),我們第二天一大早就離開了亞利桑那的圖森市,前往位于格拉漢姆山的LBT大型雙筒望遠(yuǎn)鏡天文臺(tái)(Large Binocular Telescope Observatory)。

        和之前去基特峰的路上差不多,我們一路的景色依舊是漫無(wú)邊際的沙漠,但這些地質(zhì)構(gòu)造還是很有意思的。

        2 在US-191公路上遙望格拉漢姆山

        在沙漠中的高速上走了一個(gè)多小時(shí),我們的左側(cè)出現(xiàn)了群山(如圖2)。我們又繼續(xù)前行了一個(gè)多小時(shí),卻始終感覺還在圍著這群山轉(zhuǎn),可見這山的規(guī)模還是很大的(有興趣的讀者可以在google地圖上搜Mount Graham)。后來(lái)我才意識(shí)到,大名鼎鼎的LBT大型雙筒望遠(yuǎn)鏡天文臺(tái)就在這群山的某個(gè)山頭上。雖然山下一片晴朗,但山頂上卻是另一番天地。細(xì)看圖2,山頂上似乎堆滿了厚云,登頂后也確實(shí)如此,山上居然有些陰天。遠(yuǎn)看這些山,感覺沒什么大不了,但登頂以后隨之而來(lái)的輕微高原反應(yīng),使我意識(shí)到了海拔3300多米也不是鬧著玩的。

        小插曲:

        在上山之前,我們需要在山下的一個(gè)監(jiān)察基地拿松鼠許可證(squirrel permit)。大概是要發(fā)誓自己不會(huì)獵殺格拉漢姆山上的紅松鼠,遇到松鼠尸體要報(bào)告等瑣碎事宜。在之前的觀測(cè)課上,教授已經(jīng)和我們提到過(guò)這點(diǎn),因?yàn)榧t松鼠是這個(gè)州的保護(hù)動(dòng)物,想上山?jīng)]有許可證是不行的??傊?,每當(dāng)一群天文學(xué)家想找塊地方建個(gè)觀測(cè)基地,即便是選好了址、找來(lái)了資金,也沒那么容易說(shuō)蓋就蓋??傆幸恍┥袢藭?huì)半路跳出,說(shuō)我們破壞環(huán)境或是占了他家祖墳之類,輕則交錢了事,重則另外選址,還真讓人唏噓不已。教授在課上也給我們講過(guò)一件趣事,就是我們系另外一個(gè)教授在美國(guó)國(guó)家光學(xué)天文臺(tái)(NOAO)做博士后的時(shí)候,有一項(xiàng)工作是數(shù)天文臺(tái)松樹底下的松果個(gè)數(shù)。因?yàn)榈胤奖Wo(hù)組織想以此監(jiān)測(cè)松鼠的數(shù)量,如果松果少了即證明松鼠少了,那么天文學(xué)家大概又要挨罰了。好在最后事件的結(jié)果是松鼠的數(shù)量在天文學(xué)家到來(lái)之后反而增多了,于是皆大歡喜。在美國(guó),除個(gè)別極其繁華的大城市,松鼠在城市及鄉(xiāng)村基本隨處可見,所以我們對(duì)地方保護(hù)組織的行為持保留意見。圖3即為簽松鼠許可證的地方。

        直到中午我們才臨近目的地,我們?cè)诟窭瓭h姆山腳下的小鎮(zhèn)上吃了個(gè)快餐并且買了晚飯帶上山。

        3 領(lǐng)取松鼠許可證的營(yíng)地

        4 在VATT圓頂外的教授和同學(xué)們

        雖然是坐車,但我們的上山之路并不輕松,都是蜿蜒的道路,快到山頂時(shí)是石子土路,非常顛簸。再加上勞累與輕微的高原反應(yīng),想不暈車都難,好在我一路和同學(xué)侃了過(guò)來(lái),分散了些注意力,才沒有拖組織的后腿。

        到了山頂,頓時(shí)把我凍得夠嗆,山頂上到處可見積雪、松葉林,沙漠的蹤跡早已不見,可見海拔的威力。我們先是躲到LBT的建筑里,直到接待我們的工作人員來(lái)了,才開始參觀第一個(gè)圓頂——梵蒂岡高新技術(shù)望遠(yuǎn)鏡(Vatican Advanced Technology Telescope,簡(jiǎn)稱VATT,圖4)。

        圖5 VATT

        VATT是一個(gè)1.8米的小鏡子。細(xì)心的讀者可能會(huì)發(fā)現(xiàn),VATT里的這個(gè)“V”是Vatican,即梵蒂岡,以宗教聞名的小國(guó)。而VATT也是隸屬于梵蒂岡天文臺(tái)(Vatican Observatory),它成立于1891年,最初用于制定歷法。時(shí)至今日,這個(gè)有些年頭的天文學(xué)研究組織已由亞利桑那大學(xué)的斯圖爾德天文臺(tái)代管了。

        VATT的光路是格里高利式,焦比f(wàn)/1.0,所以看起來(lái)就是一個(gè)矮胖的立方體,頗為可愛,如圖5。當(dāng)然,這樣的設(shè)計(jì)也進(jìn)一步節(jié)省了空間,比起前幾代的望遠(yuǎn)鏡,VATT的體積要小了三倍。VATT的主鏡也是前一天我們參觀的鏡面實(shí)驗(yàn)室制造的,和口徑大至8.4米的LBT主鏡一樣,VATT在制造時(shí)也采用了旋轉(zhuǎn)筑鏡法以及先進(jìn)的打磨方法。VATT采用地平式坐標(biāo)系統(tǒng),再加上先前的短焦比,所以這個(gè)望遠(yuǎn)鏡的占地面積很小。從外面看VATT的圓頂和控制室,一開始我根本沒意識(shí)到這是個(gè)1.8米的鏡子,因?yàn)槠鋱A頂和中學(xué)教學(xué)用圓頂體積相當(dāng)。這樣緊湊而堅(jiān)固的設(shè)計(jì)也使得即便是把望遠(yuǎn)鏡放到大風(fēng)中,鏡子主體也會(huì)很穩(wěn)定,天文學(xué)家用其切換到不同觀測(cè)目標(biāo)的速度也更快。圓頂小的優(yōu)勢(shì)一方面是節(jié)省建造資金,另一方面是使得圓頂內(nèi)外的溫度在打開圓頂之后能盡快達(dá)到平衡,以改善圓頂視寧度。此前,由于技術(shù)原因,天文學(xué)家們無(wú)法造出焦比很短的鏡子,因?yàn)檫@意味著主鏡的曲率會(huì)相對(duì)較大,很容易造成像差。后來(lái)隨著技術(shù)發(fā)展,鏡面實(shí)驗(yàn)室開始制造這種短焦比的鏡子。

        VATT的控制室、生活區(qū),與圓頂里是隔熱的,這是防止空氣冷熱不平衡而造成湍流影響像質(zhì)。值得一提的是,VATT的生活區(qū)也相對(duì)奢華,好似就在自己家的樓頂裝了一個(gè)觀天利器,生活氣息非常濃厚。

        出了VATT,我們的下一站是亞毫米波望遠(yuǎn)鏡(Submillimeter Telescope,簡(jiǎn)稱SMT)。雖說(shuō)兩個(gè)圓頂相距不遠(yuǎn),但是走著走著我便氣喘吁吁,這是高原缺氧的結(jié)果。我們系隔壁就是美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái),所以之前也參觀過(guò)100米的單口徑綠堤射電望遠(yuǎn)鏡(Green Bank Telescope,簡(jiǎn)稱GBT),所以大家對(duì)于射電以及亞毫米波段都不算太陌生。SMT建于1993年,口徑10米,f/0.35,隸屬于亞利桑那射電天文臺(tái)(圖6)。

        SMT有四個(gè)接收器,觀測(cè)波段分別為:215~280吉赫(GHz)、320~370吉赫、420~500吉赫和602~720吉赫。接收器可接收兩個(gè)方向的偏振光。亞毫米波段處于微波和紅外波段之間。制造亞毫米波望遠(yuǎn)鏡時(shí),天文學(xué)家對(duì)鏡面的精度要求比射電望遠(yuǎn)鏡要高。后面我將會(huì)寫到,在參觀甚大陣(VLA)時(shí),我們是可以爬上望遠(yuǎn)鏡鏡面亂走的,但是亞毫米波望遠(yuǎn)鏡則是斷然不可的。亞毫米波望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)選址也更嚴(yán)格,要求干燥、遠(yuǎn)離城市。在全世界,亞毫米波望遠(yuǎn)鏡的理想觀測(cè)基地也就幾處,分別是:夏威夷的莫納克亞山,智利的拉諾德查南托天文臺(tái)(Llano de Chajnantor Observatory,就是ALMA所在地),南極和印度靠近喜馬拉雅山的一塊地方。天文學(xué)家主要用亞毫米波段觀測(cè)分子云、暗云以研究恒星形成過(guò)程。

        SMT全年工作9~10個(gè)月,在非常濕潤(rùn)的季節(jié),射電天文學(xué)家們會(huì)把望遠(yuǎn)鏡收起來(lái),暫時(shí)不用,這是因?yàn)榇髿庵械乃魵馕諑?huì)落在這個(gè)波段。理論上來(lái)說(shuō),SMT也應(yīng)該可以在白天觀測(cè),但不知什么原因,我們參觀的時(shí)候,SMT沒有觀測(cè),只是值班室一直有人。

        SMT的圓頂分為兩部分,上面的部分可以轉(zhuǎn)。工作人員在我們到來(lái)后,轉(zhuǎn)了圓頂,打開了天窗(如圖7),讓我有一種坐船的感覺,當(dāng)然我的另一個(gè)感覺還是冷……

        終于到了參觀LBT的時(shí)刻了,這是我長(zhǎng)這么大以來(lái)見過(guò)的最大口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。LBT建筑里面,一進(jìn)門是個(gè)小型展覽區(qū),里面有制造LBT的玻璃原料(圖8)。

        前面提到過(guò),LBT也出產(chǎn)于斯圖爾德天文臺(tái)鏡面實(shí)驗(yàn)室。我手里拿的這塊毛坯玻璃是一塊重為1.5磅的樣品。制造LBT其中之一的8.4米主鏡,要消耗40000磅玻璃。當(dāng)玻璃被加熱到1180℃時(shí),熔融玻璃的黏度就和冷蜂蜜的黏度差不多了,方便鑄造。

        展覽室里還有幾塊展板是說(shuō)這里曾經(jīng)發(fā)生過(guò)嚴(yán)重山火。2004年,格拉漢姆山上曾因閃電引起過(guò)兩場(chǎng)山火,破壞力較強(qiáng)。我們?cè)谏仙降穆飞弦部吹搅松交疬z跡,即大片燒黑的枯枝橫倒在山路兩旁。當(dāng)時(shí)由于是旱季,所以山火蔓延得很快,一個(gè)月之后火勢(shì)才被控制下來(lái),這要?dú)w功于900多個(gè)參與救火的消防員們。這其中的一支隊(duì)伍,還是當(dāng)年救援過(guò)9·11、哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事的著名隊(duì)伍。幸運(yùn)的是,山上的主要儀器都在這場(chǎng)山火中幸存了下來(lái)。

        6 SMT

        7 “開窗”后的SMT

        8 制作LBT主鏡的原材料

        9 LBT外景

        10 用于旋轉(zhuǎn)LBT的巨型輪子

        11 LBT內(nèi)部的圓形走道

        容納LBT的建筑分為兩部分(圖9),上面白色的部分有幾層樓高,可旋轉(zhuǎn)。這棟可旋轉(zhuǎn)的建筑和傳統(tǒng)可旋轉(zhuǎn)圓頂不同,因?yàn)榘咨糠衷谵D(zhuǎn)的時(shí)候,里面的望遠(yuǎn)鏡也是跟著一起轉(zhuǎn)的。所以調(diào)節(jié)方位角,需要轉(zhuǎn)建筑,調(diào)節(jié)高度角才需要轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡。這樣制造也可以節(jié)省空間,因?yàn)橹恍枰舫鲆粋€(gè)方向的空間保證可調(diào)節(jié)高度角即可。此外,LBT建筑上面的白色部分也不可朝一個(gè)方向無(wú)限制的旋轉(zhuǎn),因?yàn)檫@樣兩部分之間的各種數(shù)據(jù)線、電線會(huì)被破壞。

        我們先是在LBT下面綠色的部分(圖9)聽工作人員講解,然后看到了用于旋轉(zhuǎn)LBT的巨型輪子(圖10)和接在終端的光譜儀等設(shè)備。巨型輪子的那一層空間里,有些設(shè)施被漆上了藍(lán)色。被漆成藍(lán)色的設(shè)施是在旋轉(zhuǎn)圓頂和望遠(yuǎn)鏡時(shí)要格外注意的,即人有可能被轉(zhuǎn)來(lái)的儀器打到。如果有人不慎在旋轉(zhuǎn)圓頂時(shí)處在巨型輪子的那一層,那一定要保證自己處于安全地帶,要遠(yuǎn)離漆成藍(lán)色的物體。這也是吸取了當(dāng)時(shí)梅奧爾圓頂曾經(jīng)夾死過(guò)人的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

        為防止建筑旋轉(zhuǎn)過(guò)后,內(nèi)外層位置改變(走廊內(nèi)側(cè)不轉(zhuǎn),外側(cè)隨著圓頂轉(zhuǎn)動(dòng)),人走在圓形通道里找不到門,所以LBT里的旋轉(zhuǎn)走道都是貼了這種引導(dǎo)線的(圖11)。沿著線升高的方向走,就能找到這個(gè)過(guò)道的出口。

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