魏依晨

郭守敬望遠(yuǎn)鏡光纖配鏡子，魚(yú)與熊掌可兼得

在天文望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，始終存在著一個(gè)“魚(yú)和熊掌無(wú)法兼得”的問(wèn)題，這就是大口徑與大視場(chǎng)的矛盾，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是“看得遠(yuǎn)”和“看得廣”無(wú)法兼得。

位于我國(guó)河北興隆縣的郭守敬望遠(yuǎn)鏡（大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜望遠(yuǎn)鏡）正是基于解決天文望遠(yuǎn)鏡大口徑與大視場(chǎng)之間的矛盾而研制，為我國(guó)自主研制大口徑望遠(yuǎn)鏡開(kāi)辟了道路。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡是一臺(tái)施密特反射式望遠(yuǎn)鏡，來(lái)自宇宙的光線(xiàn)首先被一塊名為MA的平面主鏡反射到一塊叫MB的球面主鏡上，光線(xiàn)被匯聚到MB的焦面，在焦面上迎接這些光線(xiàn)的是4？000根光纖，這些光纖會(huì)把來(lái)自不同方向的光線(xiàn)精準(zhǔn)地導(dǎo)入到光譜儀中。正因?yàn)橛辛诉@4？000根光纖，郭守敬望遠(yuǎn)鏡在理論上可以最多同時(shí)觀(guān)測(cè)4？000顆不同的恒星，這樣就相當(dāng)于獲得了一個(gè)超級(jí)大的視場(chǎng)。郭守敬望遠(yuǎn)鏡不像傳統(tǒng)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡那樣能拍出很漂亮的天體照片，它拍到的是天體的光譜。

主動(dòng)光學(xué)技術(shù)是郭守敬望遠(yuǎn)鏡最核心的關(guān)鍵技術(shù)。所謂主動(dòng)光學(xué)，就是主動(dòng)改變鏡片形狀，克服由于重力、溫度和風(fēng)力造成的鏡面本身形變對(duì)成像帶來(lái)的影響，使成像更加清晰。要對(duì)一塊大鏡面做出精確微調(diào)是很困難的。郭守敬望遠(yuǎn)鏡的MA和MB主鏡分別由24塊和37塊六邊形的小鏡子拼接而成，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在每一塊鏡片的后面設(shè)計(jì)安裝了促動(dòng)器，這些促動(dòng)器的作用除了承載鏡面的重量外，更重要的是調(diào)整鏡面的形狀。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡創(chuàng)造性地應(yīng)用多項(xiàng)技術(shù)，突破了望遠(yuǎn)鏡大口徑與大視場(chǎng)難以兼得的瓶頸，獲得了一系列觀(guān)測(cè)成果。2019年3月，郭守敬望遠(yuǎn)鏡七年巡天光譜數(shù)據(jù)正式發(fā)布，里面包含了1？125萬(wàn)條光譜，大約是國(guó)際上其他巡天項(xiàng)目發(fā)布光譜數(shù)之和的兩倍。至此，郭守敬望遠(yuǎn)鏡成為世界上第一個(gè)獲取光譜數(shù)突破千萬(wàn)量級(jí)的光譜巡天項(xiàng)目。

“中國(guó)天眼”擁有“視網(wǎng)膜”和“瞳孔”

談及天文望遠(yuǎn)鏡，相信很多人都會(huì)想起位于我國(guó)貴州黔南喀斯特洼地的那口“大鍋”——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）。

被譽(yù)為“中國(guó)天眼”的FAST是目前全球單口徑最大、靈敏度最高的射電天文望遠(yuǎn)鏡，這口“大鍋”的設(shè)計(jì)不同于世界上已有的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，其獨(dú)特之處主要體現(xiàn)在它的“視網(wǎng)膜”和“瞳孔”上。“視網(wǎng)膜”指反射面，“瞳孔”則指的是饋源艙。

FAST的“視網(wǎng)膜”是由4？500塊反射單元組成的主動(dòng)反射面，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是FAST主動(dòng)反射面的主要支撐結(jié)構(gòu)，它可以改變自身形態(tài)，一會(huì)變成球面，一會(huì)變成拋物面。就像水手扯動(dòng)纜繩能控制風(fēng)帆的方向一樣，通過(guò)拉扯鋼索網(wǎng)可以使這口“大鍋”變向，而整個(gè)變向過(guò)程由激光定位系統(tǒng)校準(zhǔn)。

“視網(wǎng)膜”的設(shè)計(jì)目標(biāo)是要把覆蓋30個(gè)足球場(chǎng)范圍的信號(hào)聚集在一顆小藥丸大小的空間里，盡可能地監(jiān)聽(tīng)宇宙中微弱的射電信號(hào)，而負(fù)責(zé)接收宇宙信號(hào)的是放在饋源艙內(nèi)的饋源——類(lèi)似一個(gè)收集衛(wèi)星信號(hào)的喇叭式裝置。懸空的饋源艙酷似一顆望向宇宙的“瞳孔”，它重達(dá)30噸，被6條400多米的鋼索吊起，移動(dòng)范圍可達(dá)200米。鋼索網(wǎng)與饋源艙接收器中每一部分的位移都控制在毫米級(jí)，F(xiàn)AST才能正常工作，“看清”宇宙奧秘。

自2020年1月11日通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收以來(lái)，F(xiàn)AST在中性氫譜線(xiàn)測(cè)量星際磁場(chǎng)、快速射電暴、脈沖星搜索等天文前沿領(lǐng)域取得一系列重要科學(xué)成果。

詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡“蜂巢”巨鏡“照”出宇宙奧秘

2021年12月25日，詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空。作為哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的繼任者，詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡備受期待，而幾經(jīng)推遲終于升空的它不負(fù)眾望地獲得了許多突破性成果，讓人們能夠看清更遙遠(yuǎn)的宇宙深空。這些成果得益于一個(gè)蜂巢造型的“大鏡子”。

主要在紅外波段觀(guān)測(cè)的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡由光學(xué)和科學(xué)儀器、遮陽(yáng)板以及被稱(chēng)為“航天器總線(xiàn)”的支持系統(tǒng)等部分組成，總重量6.2噸。

光學(xué)模塊采用“三反射鏡消像散系統(tǒng)”，被主鏡捕捉的紅外線(xiàn)要經(jīng)過(guò)次鏡和三級(jí)鏡反射，再由精細(xì)轉(zhuǎn)向鏡傳遞至科學(xué)儀器模塊。直徑達(dá)6.5米的巨大主鏡成為該望遠(yuǎn)鏡外形最亮眼之處，它由18塊六邊形鏡片拼接而成，采集光線(xiàn)面積達(dá)到哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的5倍以上。次鏡由3個(gè)從主鏡正面延伸出來(lái)的長(zhǎng)臂支撐，三級(jí)鏡和精細(xì)轉(zhuǎn)向鏡被安置在主鏡中心凸起的黑色“鼻錐”內(nèi)。

為使敏感的紅外信號(hào)免受太空輻射干擾，該望遠(yuǎn)鏡需在約-220？℃的低溫環(huán)境中工作。它的主鏡、次鏡和三級(jí)鏡鏡片的制造材料均為金屬鈹。這種金屬密度低，硬度相對(duì)較高，低溫下不易收縮變形。鏡片表面噴涂了一層厚度僅100納米的黃金，其目的是優(yōu)化鏡面反射紅外線(xiàn)性能。

集成科學(xué)儀器模塊位于主鏡背面，包含近紅外相機(jī)、近紅外光譜儀、近紅外成像儀、無(wú)縫隙光譜儀、中紅外儀等設(shè)備，它們可對(duì)該望遠(yuǎn)鏡收集到的光線(xiàn)進(jìn)行分析成像。

風(fēng)箏形狀的巨幅遮陽(yáng)板位于主鏡下方，為望遠(yuǎn)鏡抵擋來(lái)自太陽(yáng)、地球和月球的輻射。遮陽(yáng)板面積接近網(wǎng)球場(chǎng)大小，設(shè)計(jì)成5層薄膜結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為鍍鋁聚酰亞胺。遮陽(yáng)板將望遠(yuǎn)鏡分隔成朝向深空和朝向太陽(yáng)的冷熱兩側(cè)，其溫差極限超過(guò)300？℃。

發(fā)布首批深空全彩成像、首次直接拍攝到系外行星、探測(cè)到迄今最遙遠(yuǎn)的星系、穿過(guò)層層塵埃探測(cè)星系內(nèi)部情況……自發(fā)射升空以來(lái)，詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡帶給了人們太多驚喜，如今它還繼續(xù)漂泊在太空中，不斷探索宇宙形成之初的奧秘。

HabEx望遠(yuǎn)鏡或?qū)⒂谩盎ò辍弊钃鹾阈枪饩€(xiàn)

HabEx望遠(yuǎn)鏡即“宜居系外行星天文臺(tái)”，能夠直接拍攝環(huán)繞其他恒星運(yùn)行的行星。它的觀(guān)測(cè)目標(biāo)是從熱木星到超級(jí)地球的所有類(lèi)型行星，但其主要任務(wù)是觀(guān)測(cè)類(lèi)地系外行星。換句話(huà)講，HabEx望遠(yuǎn)鏡將試著探測(cè)環(huán)繞其他恒星運(yùn)行的行星上的生命跡象。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，HabEx望遠(yuǎn)鏡需要阻擋恒星光線(xiàn)，以便探測(cè)到恒星周?chē)饩€(xiàn)昏暗的行星。

HabEx望遠(yuǎn)鏡阻擋恒星光線(xiàn)的第一個(gè)方法是安裝日冕儀，這是安裝在望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部的一個(gè)微小結(jié)構(gòu)，它能夠阻擋恒星的光線(xiàn)，恒星周?chē)祗w的昏暗光線(xiàn)將通過(guò)望遠(yuǎn)鏡傳感器進(jìn)行成像。該望遠(yuǎn)鏡擁有一個(gè)特殊的可變形鏡面，可以微調(diào)和調(diào)諧，直至光線(xiàn)微弱的行星進(jìn)入觀(guān)察視野范圍。

HabEx望遠(yuǎn)鏡阻擋恒星光線(xiàn)的第二個(gè)方法就是使用遮星板，它位于望遠(yuǎn)鏡前方，形似花瓣，有足球場(chǎng)大小，能阻擋恒星發(fā)出的光，同時(shí)允許行星反射的光照射到望遠(yuǎn)鏡的儀器上。

除了觀(guān)測(cè)類(lèi)地系外行星這一主要任務(wù)，HabEx望遠(yuǎn)鏡還將用于天體物理學(xué)研究，如觀(guān)測(cè)早期宇宙、研究大質(zhì)量恒星以超新星方式爆炸前后的化學(xué)成分等。