四台新型巨型望远镜将震撼天文学界

当胡克望远镜于1917年首次仰望星空时，没有人知道它会揭示出怎样的奇迹。十年之内，天文学家埃德温·哈勃利用它——当时世界上最大的望远镜，直径100英寸——发现银河系之外存在其他星系，并且宇宙正在膨胀。

1949年，200英寸的海尔望远镜首次拍摄夜空照片，历史重演。1960年代初，天文学家马尔滕·施密特利用该仪器分析了不寻常的“类星体射电源”——简称类星体。这些被证明是星系中心吸积物质的超大质量黑洞，这在海尔望远镜建造时还只是科幻幻想。

到1990年代，技术进步足以开启8到10米（26到33英尺）口径望远镜的时代，同样的故事再次上演。在绕地球轨道运行的2.4米哈勃空间望远镜（其位于地球扭曲图像的大气层之上，提供了至关重要的帮助）的协助下，这些仪器可以分析几十个遥远的Ia型超新星——白矮星的灾难性爆炸。令人震惊的是，研究人员发现宇宙的膨胀正在加速。同样，这只有借助最新望远镜增强的火力才可能实现。

现在，天文学家正站在一场新的望远镜革命的门槛上。在接下来的几年里，研究人员预计三台比其最接近的竞争对手大两倍多的仪器将开始扫描天空。而第四台“仅”8米直径的望远镜，将利用先进技术每三天对整个夜空进行成像。

这四台新仪器有望在热点问题上带来惊人的科学发现。但是，就像之前在尺寸上的巨大飞跃一样，这些新望远镜很可能也会做出目前无人能预见的发现。正如巨型麦哲伦望远镜（GMT）组织副总裁帕特·麦卡锡所说：“我们期望了解我们未知的事物。”

尺寸决定一切

天文学家总是在寻求突破界限——以更大的细节观察更微弱的物体。更大的望远镜收集更多的光线，因此可以更深入地观察宇宙。将望远镜主镜的直径加倍，其表面积就会增加四倍，从而收集到的光线量也会增加四倍。一次曾经需要四个小时的观测现在可以在一个小时内完成，而且这面镜子可以让你看到大约两倍远的地方。

但你可能会想，收益递减法则会在哪里起作用？毕竟，你能看到的范围是有限的。或许哈勃空间望远镜最近在结束其“边境场”计划时接近了这些极限，该计划让研究人员能够观察大爆炸后仅数亿年存在的星系。对于较近的物体，哈勃尽管尺寸相对较小，但仍能提供无与伦比的图像。人们还能想要什么呢？

嗯，专业天文学家并非只靠成像维生。他们通常需要观察到的物体的光分解，称为光谱，以获取有关物体温度、速度、旋转和成分的信息。事实上，光谱是区分星光和发光气云，或区分银河系附近微弱恒星和宇宙遥远角落模糊星系的唯一方法。即使进行最少量的光谱分析，所需的光线也比获取图像所需的时间长约100倍。幸运的是，更大的望远镜可以显著缩短处理时间。

分辨率也随着望远镜直径的增加而提高。将镜面宽度加倍，就能提供两倍的细节。而且，由于物理学的一个奇特之处，你可以通过将较小的望远镜间隔更远，然后通过一种称为干涉测量的过程组合它们的光线来获得同样的好处。（使用这种技术的射电天文学家在今年早些时候首次拍摄到黑洞图像：一个全球射电望远镜网络跨越约5400万光年，捕捉到了巨型星系M87中心的超大质量黑洞。）

地面望远镜面临一个额外的挑战：地球破坏细节的大气层。当来自天体的光线穿过不同温度的空气时，它会受到扰动并失去清晰度。这就是为什么设计者将大型望远镜放置在高山顶上的一个重要原因——它们上方干扰的空气要少得多。即使望远镜圆顶外部和内部空气之间的温差也会产生气流，对图像的锐度产生不利影响。

这就是自适应光学技术发挥作用的地方。在过去的几十年里，天文学家磨练了这项技术，它能机械地补偿任何大气扰动，并

提供几乎与镜面理论上所能产生的图像一样清晰的图像。自适应光学系统的核心是一个薄而柔韧的计算机控制镜面。天文学家会选择一个靠近他们想要研究的物体且相当明亮的参考星。计算机分析入射光以测量大气如何模糊它，然后指示控制系统如何调整镜面形状以实时校正图像。由于大气湍流不断变化，此类系统每秒可以改变镜面形状多达1000次。如果没有明亮的参考星在附近（这种情况经常发生），天文学家可以简单地向地球高层大气发射强大的激光束，制造自己的参考光。

制造镜片

当然，在他们能够利用下一代望远镜之前，工程师们必须制造出部件——也就是那些必不可少且巨大的镜片。天文学家已经为它们开发了两种设计。

在第一种方法中，他们铸造一块单一的整体镜面。亚利桑那大学天文学家罗杰·安吉尔在大约1980年进行了一次后院实验后开创了这种方法。技术人员首先将玻璃块装入熔炉模具中。然后他们将熔炉温度升高到2100华氏度，并以每分钟五转的速度旋转整个组件。一旦玻璃块熔化到浓稠蜂蜜的稠度，玻璃就会由于旋转而流入碗状或抛物线形——非常适合聚焦入射星光。镜面厚度不超过1英寸，并采用蜂窝结构以减轻重量。然后技术人员对镜面表面进行研磨和抛光，使其达到所需的精确形状。

亚利桑那州的理查德·F·卡里斯镜面实验室为世界上许多最大的望远镜铸造了镜面，包括6.5米口径的MMT天文台以及位于亚利桑那州的双子8.4米口径的大双筒望远镜。

第二种设计技术由加州大学圣克鲁斯分校已故天文学家杰里·纳尔逊于1977年开发，它将许多六边形镜面组合成一个单一结构。尽管这些镜面本身并不巨大，但将它们连接在一起可以形成世界一流的望远镜。夏威夷莫纳克亚山上的两台10米凯克望远镜都拥有36个镜面，每个镜面大约6英尺宽，重880磅。加那利群岛拉帕尔马的10.4米大加那利望远镜与略小一点的凯克望远镜拥有相同数量的六边形镜面。

超快天空巡天

那么，这些新仪器到底是什么，它们将做什么呢？在即将彻底改变天文学的四台下一代望远镜中，维拉·C·鲁宾天文台应该是第一个亮相的。鲁宾天文台的西蒙尼巡天望远镜之所以与众不同，不在于它的大小——其8.4米的主镜可以舒适地安装在几个现有山顶天文台——而在于它能够快速成像大片天空。

鲁宾天文台位于智利中北部的帕雄山顶，预计只需15秒就能提供覆盖9.6平方度天空的清晰图像——相当于40多个满月区域，几乎是哈勃广域相机3视场的5000倍。

“鲁宾天文台将通过每天拍摄超过800张可见天空区域的六色滤镜图像来获取时空的宏观画面，”加州大学戴维斯分校鲁宾天文台首席科学家托尼·泰森说。“这将是一部宇宙的数字彩色电影，以新的方式探索自然。”

对鲁宾天文台的成功同样重要的是其3.2千兆像素的成像相机。这个世界上最大的数字相机不是你会想在下次度假时携带的：它长5.5英尺，宽9.8英尺，重约6200磅。有了它，鲁宾天文台将对同一片天空连续拍摄两张15秒的图像，然后快速比较它们以排除任何击中探测器的杂散辐射。（这类似于拍摄多张著名建筑的照片以数字方式去除游客。）然后望远镜会迅速转向下一片天空区域——平均只需10秒——并重复这个过程。这种快速成像意味着鲁宾天文台每三天就能覆盖从塞罗帕雄山顶可见的整个天空。

计算机软件最初将在60秒内处理图像，寻找与同一区域先前图像相比亮度或位置发生变化的任何物体。一旦发现，它将立即向研究人员发送警报，以便快速跟进。天文学家预计鲁宾天文台每晚将发出多达1000万次警报——在典型的10小时观测期间，平均每秒278次。

这将对研究暂现事件的科学家大有裨益，例如产生新星和超新星的恒星爆炸。鲁宾天文台的努力还应编制一份详细的小行星系天体普查，发现比海王星轨道之外的近地天体和遥远柯伊伯带天体多出10到100倍。

西蒙尼巡天望远镜的镜面于2008年3月开始在卡里斯镜面实验室铸造，并于2019年5月11日运抵山顶。天文学家预计它将于2020年上线，并在2022年完全校准后开始其计划的10年巡天的全面科学运作。

七倍的魅力

如果一个巨大的镜面就能带来如此多的科学成果，那为什么不试试七个呢？这就是巨型麦哲伦望远镜（GMT）背后的理念，它正在智利的拉斯坎帕纳斯天文台建造。GMT由七个8.4米口径的镜面组成一个单一结构，呈菊花状排列，一个中心镜面周围环绕着六个“花瓣”。卡里斯镜面实验室一直忙于这个项目，并于7月刚完成了第二面镜面；接下来的三个都已铸造完成，并处于研磨、抛光或测试的不同阶段。在拉斯坎帕纳斯，一个40人的团队于去年春天完成了望远镜地基的挖掘工作。

“我们可以在安装四面镜子的情况下进行操作，”麦卡锡说。“那仍然使其成为迄今为止世界上最大的望远镜。”GMT预计将在2026年达到这一里程碑，所有七面镜子预计将在2028年前安装到位。这些镜子共同将使该仪器拥有24.5米的有效口径，大约是哈勃望远镜的10倍，因此它应该能达到比轨道观测站好10倍的分辨率。它位于海拔8,248英尺的智利干旱阿塔卡马沙漠中，这将使其在可见光和近红外光谱中都能获得绝佳的视野。但它并非唯一能提供这些新改进视野的望远镜。

六边形望远镜

未来十年另外两台巨型望远镜采用了不同的路线。极大望远镜（ELT）和三十米望远镜（TMT）都将由数百个六边形镜面拼接而成，以创造巨大的集光面积。

欧洲的极大望远镜（ELT）主镜拥有798个镜面——每个直径55英寸——使望远镜主镜的口径达到39米。德国光学公司肖特于2018年初铸造了第一批镜面，此后一直在生产。这座庞大望远镜的奠基仪式于2014年6月在智利9993英尺高的阿马宗斯山举行。如果一切按计划进行，ELT预计将于2025年首次亮相，与GMT大致同时。

顾名思义，TMT的492个镜面将使望远镜主镜的口径达到30米。该项目的日本合作伙伴正在生产粗糙的镜面，其尺寸与ELT的镜面大致相同，而日本、中国、印度和美国的团队将对其进行抛光、切割和安装。TMT将与它的凯克兄弟望远镜一起，坐落在莫纳克亚山海拔13,287英尺的山顶。该位置使TMT能够观测到整个北半球的天空，这是其他三台望远镜在智利所在地无法做到的。它也是这些新型大型望远镜中海拔最高的，使其位于更多地球大气层之上。

但该地点也存在一个主要缺点。莫纳克亚山对夏威夷原住民来说是神圣的，望远镜的建设引发了各种抗议。此前尚不清楚这座新天文台是否能建成，但夏威夷最高法院于2018年10月裁定可以继续施工。

TMT的罩壳——将容纳望远镜本身及相关电子设备——已完工，正等待从加拿大运往该岛。随着法律挑战的解决，科学家们正期待着2026年的首次观测。

大量的科学发现

凭借前所未有的集光能力和分辨率，GMT、ELT和TMT有望为天文学家提供对微弱天体和密集区域的最佳观测。科学家们期望这些庞然大物能解决各种棘手的问题。在离家近的方面，搜寻附近恒星周围类似地球轨道的类地行星将是首要任务。更令人兴奋的是，将有新的能力来仔细研究这些世界。“目前大多数这些系外行星离它们的母星太近，无法进行研究，”麦卡锡说。但是有了GMT和其他大型望远镜，“我们将把数百颗行星的光与它们的宿主星的光分离。我们将能够通过颜色变化追踪天气，并研究行星大气的化学成分。”

恒星的诞生与死亡也应成为富有成果的研究领域。高分辨率光谱将帮助研究人员理解恒星为何具有如此广泛的质量范围，并以前所未有的深度探测被称为褐矮星的低质量失败恒星。在恒星生命的另一端，这些巨型仪器将在宇宙最遥远的深处搜寻超新星，并以前所未有的细节研究较近的超新星，观测这些爆炸恒星中发生的宇宙炼金术。这些望远镜的高分辨率还将使天文学家能够研究银河系拥挤的中心区域以及大麦哲伦星云中的R136等星团。

这些巨型望远镜还应该回答关于宇宙基本结构更宏大的问题。麦卡锡说，凭借这些大口径望远镜和红外能力，“我们将（能够）回溯到早期宇宙，观察那些仅有1亿到5亿年历史的星系。”这将是提供关于星系如何随时间演化及其与中心超大质量黑洞之间关系的宏大视图的重要第一步。这些望远镜甚至应该能阐明银河系如何通过吞噬附近的矮星伴星而成长，并可能解开哪个先出现：星系还是它们的黑洞的谜团。

在最大的舞台上，宇宙仍然让科学家们困惑，他们寻求解释将星系维系在一起的暗物质，以及导致宇宙膨胀加速的暗能量。这些新望远镜将提供至关重要的新数据，帮助解决这些谜团，并可能有助于解决衡量宇宙膨胀速率不同方法之间的差异。

在大多数这些努力中，这些新的大型望远镜将与计划于2021年发射的在轨6.5米詹姆斯·韦伯空间望远镜协同工作。如果一切顺利，我们可能会在未来10到15年内对宇宙的复杂性有更多了解。但正如胡克望远镜和海尔望远镜所展示的，我们也可能会遇到一批新的未解之谜。

编者注 2020/12/7： 本故事原文发表后，由于更名，文中对大口径综合巡天望远镜（LSST）的提及已更新为维拉·C·鲁宾天文台和西蒙尼巡天望远镜。

理查德·塔尔科特是《天文》杂志的高级编辑。本故事最初以“Go Big”为题刊登在印刷版上。