这片玻璃圆盘散发着像精美水晶一样的微光。它重达 16 吨，边缘到边缘延伸 27 英尺。然而，它的底部结构是一个由一英寸厚壁组成的蜂窝状晶格，其制作之精确，如果它只有餐盘大小，那么它的玻璃花纹将薄如酒杯。其表面是一个欧几里得纯粹的 sweeping 抛物面，似乎与其功能完美匹配：从宇宙中一个被称为地球的微小斑点，窥探到遥不可及的过去，那时巨大的星系仍在形成。2002 年，当它经过抛光和涂层，然后与亚利桑那州格雷厄姆山顶的另一个镜片配对时，这面镜子将为宇宙打开一扇新的窗户。
这面镜子是天文学家罗杰·安吉尔的心血结晶，他那稚气未脱的脸庞背后隐藏着一种好胜心，驱使他与竞争对手的镜面制造商进行较量。安吉尔的镜子是在亚利桑那大学足球场深处，以不合时宜的方式进行成形和抛光的，它是迄今为止铸造的最大光学玻璃。但令天文学家欣喜的是，这个光滑的碟形物只是精英新一代光学器件中的一个，它有望带领他们超越太阳系，进入未知的太空区域。
如今，其中七面直径 8 米以上的镜子，其中四面已设置在夏威夷莫纳克亚山海拔 13,800 英尺处，正准备开始这段旅程。两台凯克望远镜，其拼图式镜面由六边形碎片组装而成，横跨巨大的 10 米，自 1990 年和 1996 年以来一直在莫纳克亚山运行。附近，日本的超薄 8.3 米斯巴鲁（斯巴鲁是昴宿星团的日文名称）望远镜于一月收集了其首批太空图像。在同一区域，由包括美国在内的七国财团建造的 8.1 米双子座北望远镜，定于任何一天开始扫描天空。
南半球的天空拥有北半球看不到的众多星辰，现在将由欧洲资助的四台 8 米仪器中的前两台进行探测，这些仪器统称为甚大望远镜。其中一台原定于四月份在智利塞罗帕拉纳尔山顶投入使用。智利的塞罗帕雄明年将迎来双子座南天文台。
镜子图像
水手们称平静的海面为玻璃，而天文学家们则用他们自己的航海比喻来形容新一代望远镜镜面的平滑度：想象一下整个大西洋，没有一道波浪高过几英寸。
建造如此平滑的镜子，首先要选用一些看似普通但具有多种特性的玻璃块，例如它们对温度引起的变形的抵抗力和纯度。这些玻璃块被装入一个大的圆形模具中，然后推入一个巨大的烤箱，进行缓慢的热烘烤。在 1300 度时，玻璃块开始融化；在 1800 度时，玻璃形成熔融池，流淌填充模具的每个角落。经过五天——当温度达到 2100 度时——热量被调低，镜子在受控冷却中度过数周，旨在消除热应力。
研磨和抛光会去除大量玻璃，这些玻璃介于未抛光镜面出炉时的形状与其数学上的抛物线最终形状之间。所需的精确度如此之高，以至于为大型双筒望远镜准备 8.4 米镜子的第一步是抛光玻璃的背面，以检查缺陷并确保其平整。一旦顶部被平滑到几纳米的完美程度，就会沉积一层铝蒸汽以提供反射表面。
这个过程充满了危险。欧洲首次尝试为甚大望远镜制造革命性镜面以数吨破裂且无用的玻璃告终。而大型双筒望远镜的镜面在浇铸阶段也遭遇了一次近乎灾难性的泄漏。“我们设法使其恢复完美，”天文学家罗杰·安吉尔说，“但（镜面）在炉中待了大约一年。”——杰弗里·温特斯
这一令人惊叹的新一代望远镜将使人类比以往任何时候都更接近创世之初。此前，望远镜收集到的最古老的光线来自大爆炸后数十亿年形成的星系。对更早时期发生的事情进行推测，有点像通过观察一个 25 岁的成年人来描述一个蹒跚学步的孩子会是什么样子。但天文学家们期望新仪器能向他们展示一个更年轻的宇宙——“汇聚在一起形成最初星系的碎片”，59 岁的安吉尔说，他是亚利桑那大学斯图尔德镜面实验室的负责人。
更近的看，这些大型望远镜还有一个同样引人入胜的任务：观测太阳系外的行星。近年来，天文学家已经观测到 18 颗恒星，其运动表明存在一颗行星的引力。科学家们甚至计算出了行星的密度和轨道路径，但到目前为止，这些行星都没有被实际观测到。新一代望远镜不仅能将这些行星绘制在地图上，而且通过对它们反射的光进行光谱分析，还能确定它们的组成，以及——最终的问题——它们是否具备孕育生命的可能性。
“有三四颗行星离它们的恒星足够远，可以被大型双筒望远镜分辨出来，”安吉尔说。“我们实际上可以记录这些行星的光子。”
多只眼睛凝望天空
望远镜相当直接：入射光线从一个大的弯曲镜面反射，并聚焦到一个较小的镜面上，后者将其反射到探测器，在那里形成天空的图像。建造更大望远镜的竞争是由一个简单的事实驱动的：主镜的孔径越大，它收集的光线越多，图像就越清晰。但那些希望在没有巨型反射镜的体积和成本的情况下获得其精度的天文学家，已经设计出了一些方案，以更小的代价获得更多。或者，也许更准确地说，从许多较小的部分获得更多。
虽然清晰度与镜面的直径有关，但与镜面面积无关。也就是说，如果只留下反射镜的边缘，图像会暗淡得多，但不会失去清晰度。1978 年，多镜面望远镜将这一想法推向极致，使用六个 72 英寸的镜面，制造出相当于一个 176 英寸反射镜的效果。然而，对支撑结构中的弯曲和应力进行调整被证明是成问题的。需要大量的计算机化微调来对齐来自所有六个镜面的光线。为了简化图像采集过程，多镜面望远镜最近被改造成一个单反射镜望远镜，其 6.5 米的镜面来自斯图尔德天文台镜面实验室。
虽然对一些天文学家来说，完美对齐是目标，但从多个镜面光线中非常微小的错位中也能获取宝贵信息。如果图像在以略微不同的距离传播时相互叠加，则来自一个图像的光波可以抵消另一个。通过这种方式去除大部分星光，天文学家希望探测环绕恒星的非常微弱的行星，或实现对恒星表面的精确测量——这些壮举否则需要一个数百英尺大的单一镜面。天文学家计划将夏威夷的双子座凯克望远镜、智利的四台甚大望远镜和亚利桑那州的大型双筒望远镜连接成这种干涉仪，以解析宇宙中缠绕的复杂网络。——J. W.
这些新望远镜也可能开始解开一系列其他宇宙奥秘。宇宙是平坦的、圆的还是马鞍形的？为什么物质在宇宙中分布不均匀？最令人困惑的是，“缺失的物质”在哪里？它被认为是构成宇宙质量的 80%。
自 1948 年海尔望远镜在加利福尼亚州帕洛玛山安装以来，这些都是天文学家们徒劳地试图回答的一些问题。凭借其 5 米（200 英寸）的镜面，它在几十年来一直是人类有史以来设计的最强大的集光仪器。然而，尽管随着电子图像探测器取代摄影胶片，收益增加了 80 倍，但即使是海尔望远镜卓越的性能也未能达到预期。到 20 世纪 80 年代，科学家们不得不承认，他们已经从它身上榨取了几乎所有能得到的东西。“探测器开始接近其效率的理论极限，”哈佛-史密森天体物理中心的约翰·赫奇拉说。“所以如果我们想收集更多光线，我们就必须再次开始建造更大的望远镜。”在望远镜设计中没有包豪斯悖论：更多就是更多。
网络资源斯图尔德天文台镜面实验室大型双筒望远镜项目MMT 天文台双子座天文台SUBARU 望远镜霍比-埃伯利望远镜
然而，镜子似乎已经触及了收益递减的法则。为了使它们更大，使用传统设计，你也必须使它们更厚。然而，超过一定尺寸，镜子将整晚散发前一天吸收的热量。镜子表面的热浪会扭曲镜子旨在增强的图像。此外，这种镜子的重量，超过 100,000 磅，将使其几乎无法管理。
“一个显而易见的选择，”安吉尔说，他的口音尽管在美国生活和工作了二十五年多，仍暴露了他的英国血统，“是让镜子更宽，但保持相对薄。”一块薄玻璃解决了两个基本的工程问题——重量和热量，但引入了第三个问题：柔韧性。即使是微小的形状变化，也会将精细的光学玻璃变成一种天文趣屋镜。
拼图镜面
其中三架巨型新望远镜，两架 10 米的凯克望远镜和霍比-埃伯利望远镜，规避了将镜面从一块玻璃整体铸造所带来的一些重量问题。由加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的天文学家杰里·纳尔逊设计，凯克望远镜的镜面由 1.8 米宽的六边形组成，每架望远镜有 36 个，组装后形成一个完美的抛物面。这种设计使得玻璃的运输更加容易，这些玻璃在德国铸造，在加利福尼亚州和马萨诸塞州抛光，但也带来了巨大的成形挑战。由于六边形的精确曲率取决于其在抛物面中的位置，因此抛光必须针对每个部分进行细微定制。塑造凯克望远镜分段镜面就像在单独的石膏板上绘制风景片段，然后将它们组装成一幅无缝壁画。
霍比-埃伯利望远镜的镜子，同样由碎片组装而成，比凯克望远镜的大整整一米。它具有球面而非抛物面曲线，这使得建造起来从根本上更简单，成本也更低。它的 91 个部分彼此全等，这使得它们的抛光成本显著降低。这种镜子牺牲了清晰度，但 HET 主要用于光谱学——根据物质发射或吸收的光线进行化学分析。“这种设计使我们能够在短时间内获得大量光谱，”宾夕法尼亚州立大学的项目科学家拉里·拉姆齐说，该大学与德克萨斯大学、斯坦福大学和两所德国大学共同拥有这台望远镜。HET 简化的安装机制——它可以旋转，但固定在地平线上方 55 度的角度——进一步节省了成本。总而言之，HET 的成本为 1500 万美元，而凯克一号和凯克二号的成本分别为 9300 万美元和 7700 万美元。——M. L.
有一组镜面制造商通过使用比玻璃更坚硬的陶瓷材料来制造反射镜，并将其支撑在一个能持续调整任何偏转的支架中，从而解决了柔韧性问题。这正是甚大望远镜和斯巴鲁望远镜所采用的方法。它们的镜面，每块厚度不超过约 8 英寸，重约 50,000 磅，安装在一组密集的致动器上——这些液压活塞持续调整以恢复镜面形状，当它被风吹弯或在从一个位置移动到另一个位置时发生变形。激光器监测其形状，所需的调整由计算机计算和控制。
镜面实验室的罗杰·安吉尔，1967 年来到哥伦比亚从事物理学工作，随后跟随导师进入天文学领域，他想要一个更优雅的解决方案：一个既薄又坚硬的镜面。他在 20 世纪 80 年代初开始了他的探索，当时他有一个明显的劣势：“我对玻璃一无所知，”他承认。但这并没有阻止他。他开始了自学，别的地方没有，就在他位于亚利桑那州图森市的自家车库里，他用自制烤箱熔化耐热玻璃蛋奶杯，以观察热玻璃的行为。随着项目多年来的发展，他将其转移到天文学系的一个角落，然后到亚利桑那大学的光学车间，然后到一个废弃的犹太教堂，最后，在 1985 年，搬进了他劝说系里建造的新镜面实验室。
那时，安吉尔、他的合作者内维尔·伍尔夫（另一位移居美国的英国人）和研究生约翰·希尔已经设计出一种镜面，这种镜面足够厚，能保持刚性，同时又轻巧且能快速散发内部热量：一面光滑，一面蜂窝状的圆盘。“这并非原创想法，”安吉尔说，他将 20 世纪初威尔逊山 60 英寸和 100 英寸望远镜的设计者乔治·里奇归功于他首次梦想出这样的镜面。然而，里奇从未想出如何制造它。
安吉尔和伍尔夫没有试图雕刻多余的玻璃——这是一个难以想象的乏味过程——而是决定将他们的镜面大部分铸造成空心。他们通过将玻璃熔化在由耐热陶瓷泡沫（与航天飞机瓦片材料非常相似）制成的六边形柱体上。玻璃冷却后，泡沫被高压水射流粉碎并去除。剩下的是一层薄玻璃，由一英寸厚的蜂窝结构支撑，该结构在周长处深三英尺，在中心深 18 英寸。它的重量为 16 吨，大约是传统建造方式的五分之一。当镜面投入使用时，空气将吹过蜂窝结构，使玻璃保持环境温度。无需夜间冷却期。
下一步是什么？
当许多天文学家正在排队等待刚刚投入使用的巨型望远镜的使用时间时，另一些人正在绘制更大望远镜的计划。如果这些庞然大物建成，它们将使今天最大的双子座凯克望远镜看起来像歌剧望远镜。
未来的一个选择是扩展凯克望远镜、大型双筒望远镜和甚大望远镜的链接望远镜方法。如果链接两到四架望远镜能带来很好的结果，那么为什么不链接 16 架呢？望远镜将像两英里长的项链上的珍珠一样呈圆形排列，每架望远镜将光线送往一个中央设施，该设施将光线合成为一幅极其清晰的图像。这样的望远镜将拥有 50 架哈勃望远镜的集光能力，以及一个半英里宽的单一镜面的分辨能力。它可以辨认出阿波罗 11 号宇航员插在月球上的旗帜，或者分辨出半人马座阿尔法星附近的小行星。
欧洲天文学家正在推动的另一个激进计划是建造一台巨型望远镜。这台望远镜被戏称为“压倒性巨型（OWL）望远镜”，它将拥有一个由大约 2000 个小型镜面组成的主镜——每个镜面都与哈勃望远镜一样大。这些镜面组合在一起，将形成一个超过 100 码宽的单一反射表面，其集光能力比迄今为止建造的所有望远镜总和还要大十倍。即使是它的支持者也承认，磨制所有镜面需要十年时间，但一旦建成，它就能在邻近星系中发现褐矮星，或者从 100 亿光年之外探测到超新星爆发。
夏威夷新双子座望远镜主任天文学家马特·芒廷表示，未来这一代巨大的陆基望远镜将使研究最早星系中的单个恒星或确定遥远行星的大气气体成为可能。但在天文学家们激动不已之前，还有一个价格问题。建造这些望远镜所需的十亿美元是否值得？“在某个时候，将它们放置在太空中会更经济，”芒廷说。“我们还没有到那个地步，但它正在迅速临近。”——J. W.
