世界上口径最大的天文望远镜
得天独厚的地理位置 在世界上许多地方，由于空气中的灰尘太多，不适合进行天文观测。所以，天文台一般都建在空气干净清新的水边，但是由于大气的抖动，也限制了望远镜的观测能力。倘若在空气稀薄海拔很高的山上，就可以避免这些不利条件。 在太平洋中部风光秀丽的夏威夷岛上，有一座海拔4200多米人迹罕至的莫纳克亚山。这里大气的清洁度很高，大部分时间里天气晴朗，许多世界一流的大望远镜都集中在这里。在它们之中，最显眼的就是美国加州理工大学建造的口径10米的凯克望远镜。目前，它是世界上口径最大的望远镜。 凯克望远镜有两台，分别建造于1991年和1996年，像足球那样的圆顶有11层楼高，凯克是以它的出资建造者来命名的。2001年才开始正式运行。由于它处在太平洋非常稳定的空气中，因此具有很高的分辨率，综合观测能力不在哈勃望远镜之下。 最大的口径 提起望远镜的观测能力，人们首先要问的是它的口径，因为口径越大的望远镜聚光能力越强。从第一架望远镜问世以后，这个家族在越大越好的口号下经历了四百多年的发展。当帕洛玛山上的5米望远镜出现以后，人们就认识到，望远镜的口径不能无限增长，大口径也会遇到一系列麻烦。 首先，增加口径，也就意味着增加它的厚度，重量也随之增大，镜片的重量将会引起自身的变形。为了使它能够跟踪天体的运行，还需要为它建造极为复杂而又灵活的支撑系统，它们往往重达上百吨，这将要克服一系列无法想象的困难。 大的镜面，也预示着镜片玻璃的浇铸工作十分复杂。这种大镜片在对着天空的时候，很难保障它的温度不发生变化，任何一点温度的变化，都会导致镜片的变形，从而导致望远镜观测精度的下降。 既然望远镜的口径不可能无限扩大，人们就开始寻找其他的办法来解决这个问题。最切实可行的办法就是用一些小镜片组合成一台大口径的望远镜。凯克望远镜最关键的改革就是采用了这种系统，它的主镜片由36块口径为1.8米的六角形小镜片组成，组合后的效果相当于一架口径10米的反射望远镜。这个庞大的系统采用计算机来控制它的支撑系统和轨道齿轮，这些轨道齿轮可以调整望远镜系统指向天空的精确方向。在这个运行过程中，36块镜片的相对位置必须保持一致。 由小镜片组合成大镜片，这种技术堪称望远镜的革命，凯克望远镜就是这种新思路的代表作品。 光学自适应系统 遥远的星光就象水中的波纹那样源源不断地向前迈进，当它进入地球的大气层后，由于大气的密度不一样，星光常常会发生抖动，这样到达望远镜镜面的光波是不完美的，畸变了的。当我们用肉眼看星星时，常常感到星星在眨眼就是这个原因。由于这种大气的扰动，星光的波长会发生某些不规则的变化，凯克望远镜有一套价值740万的光学自适应系统。可以克服这个问题。 被大气扰动的星光在进入望远镜前，被计算机精确的测出，这个信号经过处理后，可以通过调节镜片的压力，使星光的波形回复到正常，像没有大气扰动那样，这样可以大大提高望远镜的聚光效果。这种技术被称为光学自适应系统，新一代大型望远镜都配备了这种系统。如果没有光学自适应技术，仅仅提高望远镜的口径是毫无意义的。 任何望远镜，不管它的技术多么先进，都存在着一些降低图像质量的小误差，这主要是在镜片磨制过程中产生的，以及望远镜的支撑系统引起的重力变形。所以，除了光学自适应系统以外，凯克望远镜还配备了主动光学技术，它有许多促动器组成，可以自动调整优化镜片的形状。 电子摄像系统 美丽的星云照片常常使我们对宇宙充满了无限的好奇。但是，不要指望用这个最大的望远镜就可以看到那绚丽的宇宙深空图景。那些照片是大型望远镜经过几个小时的曝光才拍摄出来的，所以大型望远镜都需要有高精度的电子照相机。 这种电子照相机配备有被称为CCD的一种电荷耦合器，它由几万个微小的电子感受器组成，看起来像一个平板，可以对接收到的光子计数，尽管如此，来自星星的光芒还是十分微弱的，倘若用一架照相机把它们拍摄下来的话，还是不够清晰，因为这张照片上的光子太少了。倘若把照相机长时间曝光，就可以收集更多的光子，这样拍出来的照片就清晰多了。我们所看到的天体照片，都是望远镜上的照相机经过长达几个小时的曝光才拍摄成功的。 高精度的天体摄像设施对提高观测宇宙深空的能力起到了极大地作用。 光学红外两用 来自遥远星体的信息不仅有光学意义上的可见光，还有其它波段的电磁波。对于凯克来说，它不仅可以接受可见光，还可以接受红外光。红外光受大气的扰动较小，因此可以很容易地获得更清晰的图像。对于那些遥远深空中的星系来说，它们的可见光往往被星际尘埃吸收，而红外光却可以穿透尘埃，到达我们的视野。这就好比凯克望远镜拥有另一支观察宇宙的眼睛。 行星围绕着恒星运转，但是行星也对恒星施加着引力影响，它可以使恒星发生周期性的摆动，当恒星向着观测者运动时，它的光谱波长缩短，向蓝端移动，称为蓝移，当恒星背离我们而去时，它的波长变长，向红端移动，称为红移。凯克的射谱仪，可以很容易地检验到恒星的这些特性。由此也就可以判断出恒星是否拥有行星。 凯克的这个射谱仪是世界上最大的射谱仪，它把拍摄的星光按照波长展开，就是恒星的光谱。通过对这些光谱的研究，人们不仅可以很容易地判断天体的运行速度和方向，还可以得知许多其它来自星光的秘密，包括天体的化学元素组成和温度。 遥远的星系普遍存在着红移现象，凯克的射谱仪可以告诉我们它们的数值，通过对星系红移的研究，也有利于研究宇宙的结构。将来，凯克还会具有一套仪器，可以使它同时对100个目标的光谱进行测定。这种光学红外两用的能力，将使凯克望远镜成为人们搜寻太阳系以外行星的有力武器。 凯克望远镜的干涉技术 在同一个地点，两架凯克望远镜相距85米。这种组合成阵列的技术在射电望远镜中早已成功使用，它们具有更高的接受能力和分辨能力。当两架凯克望远镜同时对准观测一个天体的时候，它们收集的光束经过一条地下通道合成一束光，进入一架照相机，通过相位补偿，产生干涉图形，从而使它们成为一台干涉仪。这个干涉仪的分辨率由两架望远镜的距离决定，两架凯克望远镜的距离是85米，所以，它们组成的干涉仪的分辨率相当于口径85米的望远镜。这一下子使望远镜的观测本领提高了几十倍。 凯克望远镜的意义 深邃星空中的点点繁星，使人们对它充满无限的好奇，可以毫不过分地说，天文学的发展史，其实就是一部望远镜的发展史。作为地基望远镜，凯克打破了5米海尔望远镜维持40年的霸主地位，它是新一代望远镜的杰出代表。可以预计的是，凯克的地位不久就会被打破，但它所采用的那些技术方法将会被继承下来。 用小镜片组成大镜片，凯克是一个最成功的代表，其它一些大型望远镜也是在这种思路的指引下建造的。同时，将许多个同型号望远镜组成阵列，也正在成为一种趋势。建在智利的甚大望远镜就是由四架口径为8.2米的望远镜组成阵列，达到组成干涉仪的目的，麦哲伦望远镜也是采用这种技术。 作为哈勃望远镜的继承人，未来的空间望远镜也会吸收凯克的建造经验，它们由运行在轨道上的多台望远镜组成阵列，形成威力无比的空间干涉仪。未来将是光学，红外两用望远镜称霸的时代，它们会采用一系列光学以外的高新技术。而这一切，都得益于凯克的建造经验。（国家航天局网特约撰稿/北辰） 本文编辑：李迁
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