探索宇宙奥秘：阿塔卡马沙漠中的世界最大光学望远镜与时间机器
简介：它将是迄今为止世界上最大的光学望远镜，也将是一台强大的时间机器。落日的颜色给位于智利北部高地阿塔卡马沙漠的欧洲南方天文台（ESO）的天文学家约瑟夫·安德森带来了灵感。 “它们一开始是非常蓝色和绿松石色的，”他说。 “然后逐渐地，当它变得更加紫色时，我们就更接近观察宇宙了。”夜幕降临，弯曲的银河在星空中占据了主导地位。如果你有多余的时间，你的记者可能会被海拔两千多米的壮丽景色惊呆。
阿塔卡马沙漠拥有多个不同的天文台，这并非巧合。这里远离文明地区的光污染，空气稀薄干燥，有助于增强天文学家所说的“视野”。而且，这片沙漠每年有325个万里无云的夜晚。安德森博士站在一座名叫帕拉纳尔山的山顶上，向大家展示了甚大望远镜（VLT）。
VLT 由四台独立的望远镜（每台都是世界上最大的）和四台小得多的望远镜组成。它是地球上生产力最高的天文学设施，每天产出不止一篇科学论文。 2004年，它拍摄了第一张系外行星（围绕太阳以外的恒星运行的行星）的图像，并且是第一个追踪银河系中心大质量黑洞周围单个恒星运动的仪器。
但它可能不会保持这个称号太久了。距离 VLT 一小时车程，未完工的极大望远镜 (ELT) 坐落在 3,046 米高的亚马逊山山顶（ESO 喜欢使用俗名）。与许多大型项目一样，ELT 的进展有些滞后。但按照目前的计划，2028年竣工时，其造价将达到15亿欧元（约合16亿美元），将成为已知宇宙中最大的光学望远镜。 ESO天文学家罗伯特·德罗莎表示，这将是“观测天文学可以实现的重大进步”。
光学望远镜使用一系列镜头捕获来自太空的光线并将其重定向到各种仪器。较大的镜头可以收集更多的光线，这意味着它不仅可以看到较暗的物体，而且可以比较小的镜头看到更精细的细节。
ELT的主镜直径为39.3米，是VLT大型望远镜（8.2米）的四倍多，也比目前的纪录保持者加那利群岛的10.4米的Grant Les 还要大。里亚斯大望远镜（GTC）——大三倍多。由于望远镜的性能取决于其镜子的面积，因此仅查看直径会低估差异。 GTC的集光面积约为75平方米。 ELT 面积为 978 平方米，略小于四个网球场。
这个尺寸将为天文学的许多领域带来巨大的好处。 ELT 将揭示一系列问题，从黑洞在塑造宇宙大尺度结构中的作用，到暗物质和暗能量如何影响宇宙的膨胀速度，甚至是物理常数是否影响宇宙的膨胀速度。宇宙在广阔的星系际距离上确实是恒定的。的。
此外，ELT还将显着推动太阳系外行星的研究。目前，大多数系外行星的存在都是通过它们对母星光线的影响来推断的，而这些行星的直接照片非常罕见。在大约 5,500 颗已知系外行星中，科学家只拍摄了其中约 1% 的照片。
空间和时间的相对维度
ELT 的巨大镜子将使天文学家能够隔离数十光年外的行星微弱光线，而不会受到其母恒星压倒性强光的干扰。这将生成大量数据用于直接成像。直接成像还将有助于揭示系外行星大气的化学组成以及它们是否显示出外星生命的潜在迹象。
而且，由于望远镜也是时间机器，ELT 将使科学家更深入地了解宇宙开始后不久发生的事情。由于光速是有限的，天文学家看到的遥远物体并不是今天的样子，而是光第一次出现时的样子。天文学家渴望利用 ELT 来研究宇宙年轻时恒星和星系是如何形成的。詹姆斯·韦伯太空望远镜（2021 年发射）的初步结果发现了一系列恒星和星系，它们似乎太古老了，无法轻易融入现有的宇宙演化理论。 ELT 可以帮助解开这个谜团。
假设一切正常。记者采访时，用于遮挡望远镜的 80 米高的钢制圆顶仍在建设中。每个镜头大约需要 20 分钟才能抬起并安装到位，另外还需要 6 个小时来拧紧每个镜头上的 200 个螺栓。这项工作必须在夜幕降临前完成，以免风吹散镜片。完工后，整个 5500 吨重的圆顶将能够旋转，以便望远镜可以随着恒星在天空中移动而调整其方向。
在智利从事天文学的一个不太有利的方面是该国容易发生地震。因此，望远镜会漂浮在一层薄薄的油上。油层位于数百个橡胶减震器的顶部，整个结构建立在 3 米深的混凝土基础上。这将使圆顶免受地震以及邻近办公室和实验室振动的影响。
最令人印象深刻的部分是望远镜的镜片，ELT 将有五个镜片。天文镜头是精致且易碎的物品。即使是大型 VLT 望远镜相对较小的镜头也很重，如果没有正确支撑，它们会因自身重量而破碎。工程师必须使用带有 15 个钩子的特殊吊索将其吊起进行清洁。
ELT 的主镜太大，无法制成一体。相反，这家德国光学公司将生产 798 个单独的镜片，这些镜片将充当单个镜片。每个镜片均由微弯曲的高科技玻璃陶瓷材料制成，几乎没有热膨胀。这些镜片在德国铸造，在法国抛光，然后与荷兰生产的支架配对并运往智利。
每个镜头都经过检查，以确保其在运输过程中没有损坏。 ELT 工程师Parra 将这个过程比作敲响警钟。通过在玻璃中感应振动并在战略位置用加速度计进行测量。然后对它们进行多层化学处理，其中包括 100 纳米的银层以提供反射率。 （纳米是十亿分之一米。）这层银受到氮化硅玻璃硬层的保护，以防止其失去光泽。即便如此，ESO 认为每个镜头都需要每两年重新镀膜一次。
让所有 798 个镜头一起工作还带来了另一组困难。为了产生可用的图像，每个镜头必须保持在精确的位置，精度仅为几十纳米。每个镜头都由一组传感器和电机支撑，这些传感器和电机会巧妙地改变玻璃表面的形状，以纠正由于镜头移动和倾斜时温度的微小变化以及角度变化而引起的翘曲。
第四面镜子的目的是抵消地球大气层的变幻莫测。当从地面观察星星时，由于大气层的持续扰动，它们看起来会闪烁。欧洲南方天文台（ESO）的仪器工程师弗雷德里克·冈特（ ）将这种效果比作凝视水的效果。 “试着观察游泳池的底部，你会发现它在移动，”他说。 “气氛对我们也有这种影响。”
太空望远镜通过飞入大气层高空来避免这个问题。地基望远镜可以依赖自适应光学技术。这涉及改变镜子的表面以抵消大气引起的扭曲。这项技术并不是 ELT 独有的，许多现代望远镜都在使用这项技术，其中包括 VLT 的一台大型望远镜（另外三台也添加了这项技术）。
然而，由于 ELT 尺寸巨大，它比小型望远镜更容易受到大气畸变的影响。 ELT 的第四面镜子后面有超过 5,000 个执行器，每秒对其形状进行一千多次微小的、波纹状的调整。如果没有这些调整，ELT 的图像将会极其模糊。
要准确计算镜子必须如何在毫秒数量级上变形，需要预先在天空中存在形状已知的物体。将望远镜实际看到的内容与应该看到的内容进行比较可以揭示该特定时刻的大气状态，从而使系统能够抵消它。通常，所讨论的物体是靠近研究对象的明亮恒星。
但如果没有方便的恒星可用，天文学家可以创造一颗人造恒星。通过向上发射四束明亮的橙色激光束，它们会聚在大气层最厚层上方约 90 公里高的一个点上。因为系统确切地知道假星星应该是什么样子，所以它可以进行必要的镜子畸变调整。
您可能会认为，一旦 ELT 开始运行，所有其他望远镜都将变得过时。但事实并非如此，因为即使是像 ELT 这样的设备也无法完成所有任务。例如，夏威夷的双凯克望远镜曾经是世界上最大的望远镜，但它们的镜片只有相对较小的十米。但他们的优势是位于更高的山上，那里的景色甚至比智利还要好。而且它们有两个，这意味着它们可以同时为两倍的天文学家服务。
VLT 和其他多镜望远镜还可以使用一种称为干涉测量的技术，这是一种组合信号的巧妙方法，这样分辨率就不再取决于各个镜子的大小，而是取决于它们之间的距离。对于 VLT，这个距离超过 100 米。然而，分辨率的提高是以视野变窄为代价的。 Gonté 博士表示，ELT 并不与 VLT 等望远镜竞争，而是对它们进行补充。
不可替代的
然而，当谈到探测最微弱和最远的物体时，纯光学望远镜的尺寸是无可替代的。从这一点来看，ELT 在可预见的未来似乎将是显而易见的选择。计划中的继任者压倒性大型望远镜最初计划配备100米的镜子，但由于复杂性和成本，该计划在2000年代被搁置。
与此同时，巨型麦哲伦望远镜正在 ELT 以南数百公里处的美国非营利性卡内基科学研究所拥有的土地上建造，计划于 2030 年代初首次开放。它将七个大镜头组合成一个有效直径为25.4米的巨型镜头，但即便如此，其光学接收能力也只有ELT的三分之一左右。
与此同时，美国、加拿大、印度和日本的科学家共同计划在夏威夷建造一座名为“三十米望远镜”的大型望远镜。顾名思义，这是一台巨大的望远镜，尽管仍然比 ELT 小。
但目前尚不清楚何时或是否会完成。由于莫纳克亚山的争议，该山的建设陷入停滞，这座山被一些人视为神圣的山峰。在接下来的几十年里，似乎任何人想要用这笔钱购买最大的望远镜都必须前往智利北部。 （这 ）
页:
[1]