论文部分内容阅读
变“不可能”为“可能”
2008年11月，人类第一次直接看到了围绕其他恒星转动的行星。虽然这是一个巨大的成就，但是这些行星都要比木星大得多。如果以地球到太阳的距离作为一个天文单位，它们的轨道半径都在24个到119个天文单位之间。显然，它们并不适合人类居住。天文学家的梦想是直接看到那些非常靠近恒星、和地球相仿的行星。这就要求望远镜能透过恒星耀眼的光芒看到比2008年11月所看到的行星还要小3000倍的天体。即便对于目前世界上最大的直径10.4米的大型望远镜来说，这也是不可能完成的任务。但是，到本世纪的20年代末，三架新建成的巨型天文望远镜就能把“不可能”变成“可能”了。
直径24.5米的巨型麦哲伦望远镜、英文缩写为TMT的30米望远镜、直径42米的欧洲特大望远镜，其中的每一架与目前已有的望远镜相比，都堪称巨无霸。每一架的威力都会超过目前地球上正在运转的任何一架望远镜至少十倍。每一架都预期在2018年前后完工。然而对于每一个团队而言，竣工的确切日期都是一个秘密，因为他们生怕别人抢了先机；用他们的话来说， “成为第一至关重要，当你打开一扇窗，第一个透过它望去的人才会看到最精彩的东西。”400多年前，伽利略用自制的直径4.4厘米的望远镜彻底变革了人类对宇宙的观念：十年后，这三架巨型望远镜的建成和使用必将引发一场我们对宇宙的认知革命。
谁点亮了宇宙的灯光
通过直径30米的望远镜，天文学家将能看到之前任何一架望远镜都无法看到的早期宇宙，直达宇宙“黑暗时代”之后第一代恒星和星系的形成时期，直击宇宙中的“第一缕光”。有理论认为，在大爆炸的光辉褪去之后，宇宙进入了一个很长的“黑暗时代”。最终，低温物质聚集坍缩，形成了第一代恒星和星系，出现了第一缕光。尽管目前还没有人知道，究竟是恒星还是黑洞率先开始发出明亮的辐射，但有一件事情是肯定的：在长达几亿年的“黑暗时代”之后，宇宙的灯光被点亮了。而30米望远镜不仅能让人类直击宇宙中的第一缕光，兴许还可以为解开这一谜团提供一些线索。
截至2011年5月20日，人类已经发现了551个太阳系外的行星，其中还有超过200个的行星系统。这些发现中的大部分，是通过光谱探测行星对其宿主恒星在观测者视线方向上的引力摄动而被发现的，这一手段被称为视向速度方法。目前，这一方法主要适用于搜寻极为靠近宿主恒星的类似于木星的炽热的行星。如果要找到位于恒星周围可以有液态水存在的区域中类似于地球的岩质行星，现有视向速度方法的灵敏度还需要提高至少10倍。直径30米的望远镜就能担此重任。目前世界上最大的天文望远镜需要1～3个小时才能得到可信的视向速度数据，这大大限制了观测的效率；而30米望远镜能将此时间缩短到只需几分钟。有了30米望远镜人类还能经常性地对外星行星进行直接成像观测，收集它们的大气活动和化学性质的信息。
纳尔逊，现代伽利略
当年，伽利略手中只有自制的使用透镜的折射望远镜；今天，天文学家拥有了使用镜面的反射望远镜。反射望远镜通过主镜收集来自遥远天体的光线，并把它们汇聚到望远镜的副镜上，副镜则把光线聚焦并输出到望远镜的探测器上。20世纪70年代末，天文望远镜的尺寸已不能满足天文学家的需要。为了能更深入了解宇宙的过去，他们需要比直径5米的海尔望远镜更大的望远镜。因为主镜越大，不仅分辨率越高而且看得更远。但是，建造大口径的巨型望远镜谈何容易。直径大于5米的整块主镜会由于它自身的重量而产生形变，从而导致形成的影像扭曲；因为自重越大不仅操作越不方便，而且要让整块镜面温度一致也更不容易。上世纪初，一架2.5米望远镜，花了一整晚的时间才使得它厚达33厘米的主镜达到了热平衡。
最终找到破解这一难题办法的，是一名谁也没有想到的物理学家，他就是美国的纳尔逊。此人在演讲时的平淡风格，会让你觉得他正在讨论推销一种新的市政下水道合同，而不是世界上最大的望远镜，然而，他却是一个不屈不挠且有能力的科学家，拥有巧妙解决意料之外问题的天赋。他提出的解决方案是化整为零，先做36块小镜面，然后像蜂巢那样把它们拼接到一起。这就是如今位于美国夏威夷的两架直径10米的天文望远镜的建造基础。当时，每个人都认为这一设计风险极大，没有人相信他会成功，但是纳尔逊做到了。人们因此称他为“现代伽利略”。正在建造的30米望远镜也将使用相同的技术，小镜面的数量达到492块，并通过复杂的计算机制导系统来让它们以一个整体运转。但是，即便解决了望远镜主镜面的制造问题，你仍面临着另一个所有地面望远镜都要面对的大难题——“大气湍动”。
使用过望远镜的人都知道，地球大气的湍流会严重影响高放大倍率下所成的影像，即使你站在高山顶上也是如此。这种扭曲效应源自湍流空气胞之间的微小温度差。这些空气胞的大小从几个厘米到几米不等。湍流空气胞会从不同的方向、不同的高度高速经过望远镜的上空。每一个湍流空气胞就像是一个小透镜，会稍稍改变光线的路径。其典型的结果就是一个模糊而且一秒钟内颤动数百次的影像。所以，从受大气湍动影响来说，世界上最大的天文望远镜并不比天文爱好者手中的几十厘米的望远镜好到哪儿去。但是现在不同了，“自适应光学系统”通过每时每刻地修正大气扰动所造成的图像畸变，能将星像还原到近乎完美的程度。
为此，自适应光学系统必须做两件事：在每一个瞬间测量出所有的影像畸变，然后通过望远镜光路上的器件来校正这些畸变。简单地说，就是使用激光产生的“人造引导星”来探测大气湍流的状况，并将此信息传递给位于光路后端的小型弹性镜面，该镜面会实时地修正大气的颤动。其效果就像是为模糊的视力精确地配了一副眼镜，让你看得一清二楚。
事实上，如果没有自适应光学系统，地面望远镜就根本无法和哈勃太空望远镜这样的空间望远镜相比。但现在可以毫不夸张地说，前者并不比后者逊色。纳尔逊因此把这一关键技术比喻为“望远镜的心脏和灵魂”，并预言30米望远镜将要得到的发现会增加我们对直径更大的望远镜的渴望。因此，只要我们保持好奇心并拥有建造这些设备的资金，我们还会见到直径50米甚至100米的巨大望远镜。
巨五霸将在何处安家
30米望远镜将建在美国夏威夷的莫纳克亚山。那里位于太平洋的中央，四周被绵延数千千米、有热稳定效用的海洋环抱，在它海拔4200米的山顶附近没有其他的山脉来干扰高层大气。此外，几乎没有城市的灯光会污染那里的夜空，全年的大部分时候，那里的空气十分洁净、稳定而且干燥。因此，莫纳克亚山云集了世界上众多的知名天文台。
其他两架巨型望远镜则将建在智利，那里也同样具有极为洁净和稳定的大气条件。其中巨型麦哲伦望远镜将使用7块镜面，每一块的直径为8.4米。其中的6块围绕第7块组成花瓣形。这一构形会使得它的集光能力相当于一架24.5米的望远镜。而直径42米的欧洲特大望远镜则由1000块六边形的镜面拼接而成，它不仅能发现围绕其他恒星的类地行星，还能探测它们是否具有陆地和海洋。在过去的十年中，天文学家已经发现遥远的超新星看上去要比预期的暗，这被认为是由于宇宙加速膨胀造成的。但是这一解释依赖的是数学模型。一旦有了直径42米的欧洲特大望远镜，天文学家就可以通过监测位于宇宙边缘的明亮类星体来直接测量宇宙膨胀的速率。
2008年11月，人类第一次直接看到了围绕其他恒星转动的行星。虽然这是一个巨大的成就，但是这些行星都要比木星大得多。如果以地球到太阳的距离作为一个天文单位，它们的轨道半径都在24个到119个天文单位之间。显然，它们并不适合人类居住。天文学家的梦想是直接看到那些非常靠近恒星、和地球相仿的行星。这就要求望远镜能透过恒星耀眼的光芒看到比2008年11月所看到的行星还要小3000倍的天体。即便对于目前世界上最大的直径10.4米的大型望远镜来说，这也是不可能完成的任务。但是，到本世纪的20年代末，三架新建成的巨型天文望远镜就能把“不可能”变成“可能”了。
直径24.5米的巨型麦哲伦望远镜、英文缩写为TMT的30米望远镜、直径42米的欧洲特大望远镜，其中的每一架与目前已有的望远镜相比，都堪称巨无霸。每一架的威力都会超过目前地球上正在运转的任何一架望远镜至少十倍。每一架都预期在2018年前后完工。然而对于每一个团队而言，竣工的确切日期都是一个秘密，因为他们生怕别人抢了先机；用他们的话来说， “成为第一至关重要，当你打开一扇窗，第一个透过它望去的人才会看到最精彩的东西。”400多年前，伽利略用自制的直径4.4厘米的望远镜彻底变革了人类对宇宙的观念：十年后，这三架巨型望远镜的建成和使用必将引发一场我们对宇宙的认知革命。
谁点亮了宇宙的灯光
通过直径30米的望远镜，天文学家将能看到之前任何一架望远镜都无法看到的早期宇宙，直达宇宙“黑暗时代”之后第一代恒星和星系的形成时期，直击宇宙中的“第一缕光”。有理论认为，在大爆炸的光辉褪去之后，宇宙进入了一个很长的“黑暗时代”。最终，低温物质聚集坍缩，形成了第一代恒星和星系，出现了第一缕光。尽管目前还没有人知道，究竟是恒星还是黑洞率先开始发出明亮的辐射，但有一件事情是肯定的：在长达几亿年的“黑暗时代”之后，宇宙的灯光被点亮了。而30米望远镜不仅能让人类直击宇宙中的第一缕光，兴许还可以为解开这一谜团提供一些线索。
截至2011年5月20日，人类已经发现了551个太阳系外的行星，其中还有超过200个的行星系统。这些发现中的大部分，是通过光谱探测行星对其宿主恒星在观测者视线方向上的引力摄动而被发现的，这一手段被称为视向速度方法。目前，这一方法主要适用于搜寻极为靠近宿主恒星的类似于木星的炽热的行星。如果要找到位于恒星周围可以有液态水存在的区域中类似于地球的岩质行星，现有视向速度方法的灵敏度还需要提高至少10倍。直径30米的望远镜就能担此重任。目前世界上最大的天文望远镜需要1～3个小时才能得到可信的视向速度数据，这大大限制了观测的效率；而30米望远镜能将此时间缩短到只需几分钟。有了30米望远镜人类还能经常性地对外星行星进行直接成像观测，收集它们的大气活动和化学性质的信息。
纳尔逊，现代伽利略
当年，伽利略手中只有自制的使用透镜的折射望远镜；今天，天文学家拥有了使用镜面的反射望远镜。反射望远镜通过主镜收集来自遥远天体的光线，并把它们汇聚到望远镜的副镜上，副镜则把光线聚焦并输出到望远镜的探测器上。20世纪70年代末，天文望远镜的尺寸已不能满足天文学家的需要。为了能更深入了解宇宙的过去，他们需要比直径5米的海尔望远镜更大的望远镜。因为主镜越大，不仅分辨率越高而且看得更远。但是，建造大口径的巨型望远镜谈何容易。直径大于5米的整块主镜会由于它自身的重量而产生形变，从而导致形成的影像扭曲；因为自重越大不仅操作越不方便，而且要让整块镜面温度一致也更不容易。上世纪初，一架2.5米望远镜，花了一整晚的时间才使得它厚达33厘米的主镜达到了热平衡。
最终找到破解这一难题办法的，是一名谁也没有想到的物理学家，他就是美国的纳尔逊。此人在演讲时的平淡风格，会让你觉得他正在讨论推销一种新的市政下水道合同，而不是世界上最大的望远镜，然而，他却是一个不屈不挠且有能力的科学家，拥有巧妙解决意料之外问题的天赋。他提出的解决方案是化整为零，先做36块小镜面，然后像蜂巢那样把它们拼接到一起。这就是如今位于美国夏威夷的两架直径10米的天文望远镜的建造基础。当时，每个人都认为这一设计风险极大，没有人相信他会成功，但是纳尔逊做到了。人们因此称他为“现代伽利略”。正在建造的30米望远镜也将使用相同的技术，小镜面的数量达到492块，并通过复杂的计算机制导系统来让它们以一个整体运转。但是，即便解决了望远镜主镜面的制造问题，你仍面临着另一个所有地面望远镜都要面对的大难题——“大气湍动”。
使用过望远镜的人都知道，地球大气的湍流会严重影响高放大倍率下所成的影像，即使你站在高山顶上也是如此。这种扭曲效应源自湍流空气胞之间的微小温度差。这些空气胞的大小从几个厘米到几米不等。湍流空气胞会从不同的方向、不同的高度高速经过望远镜的上空。每一个湍流空气胞就像是一个小透镜，会稍稍改变光线的路径。其典型的结果就是一个模糊而且一秒钟内颤动数百次的影像。所以，从受大气湍动影响来说，世界上最大的天文望远镜并不比天文爱好者手中的几十厘米的望远镜好到哪儿去。但是现在不同了，“自适应光学系统”通过每时每刻地修正大气扰动所造成的图像畸变，能将星像还原到近乎完美的程度。
为此，自适应光学系统必须做两件事：在每一个瞬间测量出所有的影像畸变，然后通过望远镜光路上的器件来校正这些畸变。简单地说，就是使用激光产生的“人造引导星”来探测大气湍流的状况，并将此信息传递给位于光路后端的小型弹性镜面，该镜面会实时地修正大气的颤动。其效果就像是为模糊的视力精确地配了一副眼镜，让你看得一清二楚。
事实上，如果没有自适应光学系统，地面望远镜就根本无法和哈勃太空望远镜这样的空间望远镜相比。但现在可以毫不夸张地说，前者并不比后者逊色。纳尔逊因此把这一关键技术比喻为“望远镜的心脏和灵魂”，并预言30米望远镜将要得到的发现会增加我们对直径更大的望远镜的渴望。因此，只要我们保持好奇心并拥有建造这些设备的资金，我们还会见到直径50米甚至100米的巨大望远镜。
巨五霸将在何处安家
30米望远镜将建在美国夏威夷的莫纳克亚山。那里位于太平洋的中央，四周被绵延数千千米、有热稳定效用的海洋环抱，在它海拔4200米的山顶附近没有其他的山脉来干扰高层大气。此外，几乎没有城市的灯光会污染那里的夜空，全年的大部分时候，那里的空气十分洁净、稳定而且干燥。因此，莫纳克亚山云集了世界上众多的知名天文台。
其他两架巨型望远镜则将建在智利，那里也同样具有极为洁净和稳定的大气条件。其中巨型麦哲伦望远镜将使用7块镜面，每一块的直径为8.4米。其中的6块围绕第7块组成花瓣形。这一构形会使得它的集光能力相当于一架24.5米的望远镜。而直径42米的欧洲特大望远镜则由1000块六边形的镜面拼接而成，它不仅能发现围绕其他恒星的类地行星，还能探测它们是否具有陆地和海洋。在过去的十年中，天文学家已经发现遥远的超新星看上去要比预期的暗，这被认为是由于宇宙加速膨胀造成的。但是这一解释依赖的是数学模型。一旦有了直径42米的欧洲特大望远镜，天文学家就可以通过监测位于宇宙边缘的明亮类星体来直接测量宇宙膨胀的速率。