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        天眼傳奇

        2016-03-03 06:49:08
        小哥白尼·趣味科學(xué)畫(huà)報(bào) 2015年4期
        關(guān)鍵詞:巡天天文口徑

        32億像素!每周將整個(gè)天空巡視一遍!每年創(chuàng)造600萬(wàn)GB的數(shù)據(jù)!如果要用800萬(wàn)像素的相機(jī)來(lái)創(chuàng)造同等的數(shù)據(jù),每晚需要拍攝80萬(wàn)張照片!

        大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡,這部世界最牛的“相機(jī)”,巡視整個(gè)天空的“眼睛”,似乎強(qiáng)悍到如同一個(gè)傳說(shuō)。而科學(xué)家和工程師們,正在用不懈的努力,匯集天時(shí)地利與人和,將這個(gè)“傳說(shuō)”變?yōu)檎鎸?shí)存在的天眼傳奇!

        天時(shí):更強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡

        我們對(duì)宇宙的了解還太少太少!不是我們不想去了解,而是我們所能看到的宇宙非常有限。如果我們能看得更清楚一點(diǎn),或許很多疑問(wèn)就迎刃而解,比如暗物質(zhì)到底是什么?近地小行星有多少,會(huì)不會(huì)砸到地球上?柯伊伯帶天體還有哪些未發(fā)現(xiàn)?銀河系的結(jié)構(gòu)是什么……

        人類探索太空最雄心勃勃的一次嘗試——斯隆數(shù)字巡天計(jì)劃,僅觀測(cè)了25%的天空,就記錄了200萬(wàn)個(gè)天體的數(shù)據(jù),包括80多萬(wàn)個(gè)星系和10多萬(wàn)個(gè)類星體。如果我們能拍下整個(gè)天空,那收獲絕對(duì)大到無(wú)法想象!此外,如果望遠(yuǎn)鏡不僅能拍到靜態(tài)圖像,還能將觀測(cè)到的太空中物體的微弱變化記錄下來(lái),并根據(jù)這些數(shù)據(jù),畫(huà)出一張夜空的三維地圖,那就更酷了。

        正因?yàn)橛辛诉@些期待,才有了逐漸成熟的大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃!

        地利:純凈的天空

        在晴朗的夜晚,當(dāng)我們?cè)诜比A的城市仰望天空時(shí),很少能看到星星,這是因?yàn)槌鞘械墓饩€太耀眼,遮蓋了星星的亮光。如果來(lái)到人跡罕至的山頂,“觀星指數(shù)”就提高了許多。但長(zhǎng)時(shí)間仔細(xì)盯著星星看,會(huì)發(fā)現(xiàn)它們似乎在“眨眼”,這其實(shí)是大氣層對(duì)星星的成像造成的影響,天文學(xué)上將它稱為天文視寧度。坐落在地面的太空望遠(yuǎn)鏡非常容易受到大氣層的影響,因此修建望遠(yuǎn)鏡的地方,天文視寧度一定要最好。

        只有天文視寧度好還不夠,如果那里云層特別多,特別愛(ài)下雨,每年適合觀察星空的時(shí)間就非常少。如果空氣長(zhǎng)期潮濕,望遠(yuǎn)鏡的鏡片就會(huì)因?yàn)樗Y(jié)而模糊不清??茖W(xué)家綜合而嚴(yán)格地考察多種數(shù)據(jù),最終評(píng)選出擁有最純凈天空的地點(diǎn),作為天文望遠(yuǎn)鏡的所在地。

        大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡將修建在智利北部的科金博大區(qū),帕穹山伊爾佩恩峰,海拔2682米。雖然雙子星天文臺(tái)和南方天文物理研究望遠(yuǎn)鏡早就占領(lǐng)這里了,但地球上絕佳的天空觀測(cè)地點(diǎn)畢竟不多,所以望遠(yuǎn)鏡扎堆出現(xiàn)也就不要奇怪啦!

        光學(xué)望遠(yuǎn)鏡分類——折射型

        折射型望遠(yuǎn)鏡通過(guò)凸透鏡折射來(lái)聚焦光線。最早的折射型望遠(yuǎn)鏡由伽利略發(fā)明,并最先用于天文觀測(cè),現(xiàn)在的天文愛(ài)好者也多用此類望遠(yuǎn)鏡。但它有著天生的缺陷,不同顏色的光線通過(guò)玻璃折射程度不同,如果不經(jīng)過(guò)修正,會(huì)容易產(chǎn)生比較嚴(yán)重的色差(如天體周?chē)尸F(xiàn)綠邊)。把望遠(yuǎn)鏡拉長(zhǎng)(增加焦距)可以減輕色差,但這會(huì)使望遠(yuǎn)鏡變得很長(zhǎng)很重,自身重力反而會(huì)使圖像扭曲。如果要視野變寬,使望遠(yuǎn)鏡變粗(口徑增大),大塊透鏡難免會(huì)有氣泡等小缺陷,也會(huì)反而使成像效果變差。因此,折射型望遠(yuǎn)鏡的最大口徑為1米。

        著名的折射型天文望遠(yuǎn)鏡:葉凱士天文臺(tái)、瑞典太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡、巴黎天文臺(tái)等。

        光學(xué)望遠(yuǎn)鏡分類——反射型

        為了避免色差,牛頓發(fā)明了利用一個(gè)凸面鏡反射匯聚光線的反射型望遠(yuǎn)鏡。雖然反射型望遠(yuǎn)鏡也有一些成像問(wèn)題,但相對(duì)折射型而言,反射鏡面可以造得更大。傳統(tǒng)反射望遠(yuǎn)鏡最大口徑可達(dá)6米。隨著鏡面技術(shù)的進(jìn)一步提高,已投入使用的最大反射望遠(yuǎn)鏡口徑達(dá)到8米。大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡也屬于反射型,它的最大口徑將突破紀(jì)錄,達(dá)到8.4米。

        著名的反射型天文望遠(yuǎn)鏡:甚大望遠(yuǎn)鏡、雙子星天文臺(tái)、大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡等。

        人和:匯聚的力量

        制造大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡,最困難的不是制造它的“眼睛”——32億像素的相機(jī),而是給它配上合適的“眼鏡”——承擔(dān)聚光使命的三個(gè)超大鏡片,它們的直徑分別為8.4米、5米以及3.4米。早期,制作望遠(yuǎn)鏡的鏡片是將玻璃熔化,然后倒入模具中使它凝固,再精細(xì)打磨。但隨著鏡片的直徑越來(lái)越大,制作過(guò)程中就很難避免氣泡混入玻璃中。帶有氣泡的鏡片會(huì)嚴(yán)重影響觀測(cè)結(jié)果。(你以為發(fā)現(xiàn)了新行星?其實(shí)只是氣泡。)而且大型的玻璃鏡片在冷卻凝固的時(shí)候會(huì)不均勻,四周和表面會(huì)先凝固,最后才是中心。這使玻璃內(nèi)部產(chǎn)生了細(xì)小的紋路,會(huì)影響光的折射。用這樣的鏡片看到的影像是有重影或模糊不清的。

        解決這一難題的方案就是做許多小鏡片,然后將它們拼接成為一面大的鏡片。但由于廠房與設(shè)備的限制,目前能制作的最大的拼接鏡片直徑為8.4米。制作大型巡天望遠(yuǎn)鏡的鏡片十分困難,它不僅尺寸大,而且要具備驚人的光潔,表面的誤差要求在納米級(jí)。到底有多光潔呢?如果把整個(gè)鏡片比作美洲大陸,那么這里的山峰最高只有1厘米。就讓我們一睹超大鏡片誕生的震撼過(guò)程吧!

        大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡的霸氣上線,開(kāi)啟了新的超級(jí)望遠(yuǎn)鏡競(jìng)賽。有多個(gè)聲稱比它更牛的望遠(yuǎn)鏡也開(kāi)始準(zhǔn)備建設(shè)了。如果順利的話,它將在2021年正式開(kāi)始巡視天空。望遠(yuǎn)鏡的制作是一個(gè)精細(xì)而復(fù)雜的大工程,如果其中有一絲細(xì)微的差錯(cuò),整個(gè)望遠(yuǎn)鏡可能就會(huì)報(bào)廢。我們也不要心急,慢慢等待這個(gè)超級(jí)天眼開(kāi)啟的那一刻吧!

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