最好的望远镜

当夜幕降临洛杉矶附近海拔5700英尺的威尔逊山时，哈罗德·麦卡利斯特（Harold McAlister）通过追溯已故天文学家埃德温·哈勃的足迹，开始了夜晚的观星。在1920年代，哈勃夜复一夜地沿着这条绿树成荫的小径，通过当时世界上最强大的100英寸胡克望远镜扫描天空。他看到的是一个延伸到银河系之外的奇特宇宙，由多个星系以惊人的速度彼此远离。这一发现最终引出了关于万物起源的非凡理论，称为大爆炸。现在，大约80年后，麦卡利斯特在小径上停下脚步，怀着敬意凝视着保护着那座著名旧望远镜的巨大白色圆顶。“那台100英寸的仪器比以哈勃命名的太空望远镜更重要，”他说，“它是20世纪最重要的望远镜。”然后这位乔治亚州立大学的教授低下头继续前进。今晚山上的星星清晰明亮——这是一个绝佳的机会，让他用一种全新的机器扫描宇宙。他绕过旧天文台，走进一栋长长的波纹钢建筑，上面标着“光束组合实验室”，来到了一个光学干涉仪的神经中枢。这个革命性的设备散布在山顶，由六台常规望远镜、3100英尺的光纤和20台计算机组成。它有望将威尔逊山的声誉从一个著名旧望远镜的保管者转变为尖端天文学的新中心。这是世界各地正在建造的半打干涉仪中最大的一个。它被称为 CHARA（高角分辨率天文学中心）阵列，它以令人难以置信的细节观察太空的能力——比任何单镜望远镜都精细50倍——有望使夜空变得异常清晰。例如，CHARA 可以放大月球上一个像人一样小的发光物体。“如果那个人正在开车，”麦卡利斯特说，“我们可以区分一个大灯和另一个。”更重要的是，CHARA 可以区分一颗星和另一颗星。这可能听起来很奇怪，但即使通过最大和最新的常规望远镜看到的绝大多数恒星，看起来也和肉眼看到的差不多——微小的光点，没有尺寸且具有欺骗性。光谱分析显示，这些光点中的大多数很可能是两颗星——双星——甚至更多：例如，双子座中的北河三看起来像一颗单独的星，但实际上是六个火球彼此环绕。像我们的太阳这样的独行者是例外，而不是常态。很快，干涉仪将帮助天文学家弄清楚恒星为什么倾向于聚集在一起，以及它们随着年龄增长如何行为。最终，这些经验将回到地球，告诉我们太阳过去是什么样子，并揭示我们可能从它那里得到的威胁——也许是巨大的耀斑，或者可能引发冰河时代的亮度减弱时期。干涉仪将重新开启天堂：“我们将进行数千次以前从未做过的恒星测量，”麦卡利斯特说。干涉测量法也可能成为行星猎人的福音。如果 CHARA 能像预期那样探测到双星周围的单个行星，那么系外行星的数量将大大增加。发现的行星越多，发现可能支持生命的行星的可能性就越大。寻找系外行星可能是哈勃八十多年前在这里开始的富有远见的工作的最终实现。“100英寸望远镜让我们认为宇宙足够广阔，足够古老，足以让许多其他文明存在，”威尔逊山研究所所长罗伯特·贾斯特罗说，“CHARA 将通过仔细检查恒星来寻找我们自身的迹象，从而恢复威尔逊山的荣耀。”

CHARA（高角分辨率天文学中心）阵列通过复杂的导管系统从六个独立的望远镜收集星光。两根直径8英寸的真空管道从W2（一对西部望远镜中的一个）伸出。中央管道传输来自W2的光；左侧管道传输来自W2更远的双生子W1的光。所有望远镜的光束最终都汇集到中央的光束组合实验室。

麦卡利斯特进入光束组合实验室的一个洁净室，在鞋子上套上鞋套。里面，CHARA 的副主任西奥·特恩·布鲁梅拉（Theo ten Brummelaar）正在一张精密的反射镜桌旁忙碌，那里汇集了 CHARA 六个独立望远镜的光波。特恩·布鲁梅拉两眼疲惫，胡子拉碴，他已经花了几个月的时间努力解决复杂的校准问题，试图让所有六束光束同时在同一个点汇合——这是使干涉测量工作成功的关键。相比之下，制造更好的传统望远镜的关键是建造越来越宽的反射镜。但无论是传统望远镜还是干涉仪望远镜，都遵循一个并非完全直观的原理。在观察细节方面，它们的能力随着基线测量值的增加而增加。基线是望远镜从一端到另一端的直径；随着基线增加，望远镜的角分辨率也增加。反射镜的表面积对于清晰度和细节并不重要。两个小反射镜，一个位于基线的两端，与一个横跨开口的巨大反射镜效果一样好。于是科学家们开始思考将单个反射镜分开放得更远，收集它们的光线，并组合来自每个望远镜的单独光波。这个想法在19世纪后期由诺贝尔奖获得者、天文学家阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）推广。迈克尔逊取了一块黑布，在上面剪了两个小缝，这样当他把它放在他那12英寸的望远镜镜头上时，只露出两道玻璃缝。他将戴着面具的望远镜指向木星的卫星。戴着面具后，卫星变暗了，因为收集到的光线减少了。但迈克尔逊发现，只有两小束光线就能提供与整个12英寸镜头相同的角分辨率。他用他简陋的仪器，能够测量出卫星的直径。“对于角分辨率来说，唯一重要的是基线的长度，”麦卡利斯特说，他瞥了一眼挂在控制室墙上的 CHARA 建筑图。鸟瞰图显示了六个小望远镜以 Y 形排列在山顶上，每个望远镜都通过真空管将其收集到的星光传输到光束组合实验室。麦卡利斯特说，对于迈克尔逊的12英寸基线双孔干涉仪成立的原理，对于 CHARA 这个1080英尺基线的巨型六孔干涉仪也成立。但正如西奥·特恩·布鲁梅拉迅速指出的那样，有一个问题——如何同步来自六个不同望远镜的光波。这需要尖端光学、超高速计算机和从零开始发明的新工程技术。

八十多年前，100英寸胡克望远镜的圆顶让埃德温·哈勃第一次看到了银河系以外的星系，如今它仍然雄伟地矗立在威尔逊山顶。这台古老的望远镜现在配备了自适应光学系统，可以校正大气中热量分布不均造成的畸变。这两个小圆顶从左到右分别是W1和W2——CHARA的西部望远镜——而平顶建筑是光束组合实验室。

在传统的望远镜中，镜面的弯曲形状确保了光线从恒星传播到望远镜探测器的距离是相同的，无论它击中镜面的哪个位置。在迈克尔逊的遮罩实验中，弯曲的透镜将来自每个孔的光线沿着两条相同长度的路径发送到目镜，因此两束光线同步到达。对于CHARA，来自六个独立望远镜的光束必须通过一个复杂的管道和镜面网络，最终到达控制室的计算机化探测器。“每小段光波必须在探测器处相遇，并相互识别为孪生子，作为同一波的一部分，”麦卡利斯特说，“如果它们不能同时到达，你就什么也看不到。”当然，来自相距数百英尺且与探测器距离不同的望远镜的光束，并非天生就能同时汇聚。更糟的是，如果麦卡利塔在西边天空中观测一颗恒星，它的光线到达六个望远镜中最西边的望远镜的距离会比到达最东边的望远镜的距离稍微短一点。还有更微妙的问题需要解决，例如微小的振动，这可能使一个望远镜比另一个望远镜更接近恒星，即使只有难以察觉的微小距离。特恩·布鲁梅拉面临的挑战是预测这些光路长度差异，并实际上延迟任何提前到达的光线。这是通过“延迟线”实现的，延迟线沿着轨道移动镜面长达160英尺，以增加或减少每个望远镜的光路。来自每个望远镜的光线通过被抽真空的管道传输到组合实验室。在实验室中，每束光线都击中一组镜面，并被反射到延迟线上，在那里它在轨道一端的镜面和手推车上的镜面之间来回反弹。计算机将手推车沿轨道定位到纳米级的精确距离，以延迟光束，使其与来自其他望远镜的光束同时准确地传送到探测器。手推车离墙上的镜面越远，延迟时间就越长。“我们不得不将光线调整到纳米级别，即使它已经从恒星传播了那么远的距离，这很荒谬，”麦卡利斯特说，“但我们确实这样做了。”

上图：CHARA的六个望远镜共同组成一个集光仪器，其最大口径或基线等于两个望远镜之间的最远距离：1080英尺。Y形配置允许天文学家根据不同的观测改变口径。下图：为了使干涉仪工作，由独立望远镜收集的星光必须同时到达探测器。为了补偿光线到达望远镜2的额外距离，望远镜1收集的光线在延迟线上精确地偏转相同的距离。图形由马特·赞绘制

当特恩·布鲁梅拉确信所有光学设备都已正确对齐后，他和麦卡利斯特关掉灯，走进一间相邻的房间，里面摆满了折叠桌、旧办公椅和计算机设备架。特恩·布鲁梅拉在麦卡利斯特旁边的两个超大显示器前坐下，在键盘上敲了几下命令。几百码外的夜色中，望远镜舱口打开了。在光束组合实验室中，延迟线和可移动镜面在黑暗中调整，以同步来自不同望远镜的星光。今晚，天文学家们只使用了其中两台望远镜，将它们对准了已经用较小的干涉仪测量过直径的附近大恒星。麦卡利斯特解释说，在他们能够放大未测量过的恒星之前，他们必须使用已知尺寸的恒星来校准CHARA。特恩·布鲁梅拉对准了两台望远镜，一颗巨大的白色恒星出现在左侧屏幕上，跳跃着。“它跳跃是因为大气层，就像你的眼睛看到星星闪烁一样，”特恩·布鲁梅拉说，“但这张图片并非我们所需的数据。”相反，他和麦卡利斯特正在寻找同步在探测器处相遇的两台望远镜光波的“条纹”或干涉图样的复杂测量。他们已经对系统进行了编程，将条纹表示为图表，该图表显示在跳跃的恒星旁边的屏幕上。经过大量的数字运算（稍后在白天进行），该图表将显示这颗恒星有多宽。令人惊讶的是，使用传统望远镜的天文学家甚至无法确定绝大多数恒星的基本尺寸，更不用说检查它们的表面是什么样子了。我们对恒星的大部分了解都来自于对我们太阳的近距离分析。即便如此，我们知之甚少。麦卡利斯特说，恒星天文学“就像在只研究一个人时进行社会学研究，以一个样本得出广泛而全面的结论。我们真的不知道：我们的太阳是一个奇怪的开膛手杰克异常，还是一个和蔼、正常的祖母般的恒星？”第一个任务是测量恒星的直径，以衡量它们的温度。“温度是天文学中缺失的一环，”麦卡利斯特说，“温度告诉我们恒星内部是什么样子，它是如何运作的。”一旦他使用CHARA确定了一颗恒星的直径，麦卡利斯特就可以查找它的总能量输出（可从传统望远镜获得）并推导出它的温度。特恩·布鲁梅拉只需几分钟就可以在一颗恒星上“获得条纹”并测量其直径。很快，他将能够快速穿越星空，每晚测量一百颗恒星——每颗都是第一次测量。“这将彻底改变该领域，”耶鲁大学天文学系主任查尔斯·贝林说，“这些是所有其他测量所依赖的基本测量。”理解恒星的下一步是看得更近——窥视其直径内隐藏的细节。当麦卡利斯特使用几对望远镜测量一颗恒星时，他可以使用数据创建恒星表面的图像，并查看其他恒星是否像我们的太阳一样有耀斑和黑子。“目前还没有好的理论解释为什么太阳会表现出这种行为，”麦卡利斯特说。太阳上的这些磁暴导致地球全球变暖，他的广泛调查应该会显示黑子和耀斑在其他恒星上是否普遍存在和持续不断，它们是否以例如千年为周期出现和消失，或者我们的太阳是否因拥有它们而异常。我们已经知道我们的太阳独自生活很不寻常。配备光谱仪的传统望远镜已经确定，多达三分之二的恒星是双星。尽管这些望远镜只能“看到”一个针尖大的光点，但双星的特征会在光谱图中显示为周期性的多普勒频移。在两颗恒星相互绕行的轨道的一半时间内，其中一颗恒星朝着地球的方向运动，其光线在光谱图中呈现蓝移。另一颗恒星则远离地球，其光线呈现红移。一段时间后，随着恒星彼此环绕，第一颗恒星开始远离地球，呈现红移，而另一颗则向我们靠近，呈现蓝移。“双星一直被称为天体害虫，”麦卡利斯特开玩笑说。这是因为通过传统望远镜观察时看起来像一颗恒星的两颗恒星会干扰其他恒星测量。“但是CHARA，”麦卡利斯特带着一丝苦涩的愉悦补充道，“对害虫非常敏感。”他计划对双星进行一次大规模普查，测量它们的质量、直径和温度，以及分离距离和每对恒星的轨道运动。这些数据将帮助理论学家弄清楚为什么大多数恒星以多星系统形式形成，以及相比之下，为什么我们的太阳单独形成。有了CHARA，我们对恒星演化的理解将大大提高。我们对行星的理解也将如此。近年来发现的100颗系外行星都与单星或相距较远的双星有关。传统的行星探测使用与传统双星发现相同的光谱技术——光波中周期性的多普勒频移——你不能同时寻找双星和行星。信号会混淆。这在CHARA上不会发生。麦卡利斯特提议扩大他对双星的调查，以便他每隔几个月重新访问某些双星，每次测量它们之间的距离。当一个双星系统中没有行星时，麦卡利斯特会看到两颗恒星平稳地相互绕行，就像一对优雅的华尔兹舞者随着时间完美地旋转。但是，一颗黑暗行星的存在将使这种平稳运动复杂化，就像一只顽皮的猴子缠绕在一个或两个舞者的脖子上。如果麦卡利斯特看到一颗双星以这种方式被他看不见的东西拉动，“我们会召开新闻发布会，”他说，因为他们将在一个紧密双星系统中发现一颗行星，这是一个革命性的发现。加利福尼亚大学圣克鲁斯分校研究轨道动力学的天文学家格雷格·劳林（Greg Laughlin）说，最近的计算表明，“在双星系统中，理论上有很多空间可以容纳快乐、稳定的行星。”研究人员根据牛顿运动定律使用计算机模拟发现，如果行星与恒星的距离至少是它们之间距离的3.5倍，那么在一个双星系统中，行星可以绕两颗恒星运行。或者，行星可以只绕一颗恒星运行，只要它绕行的距离不超过两颗恒星之间距离的三分之一。“几乎所有你能想象到的恒星系统都能够拥有稳定的行星轨道，”劳林说，“有些可能拥有宜居行星轨道。”但这些仍然是铅笔和纸上的可能性，科学家们可以在CHARA和其他新型干涉仪完全投入使用后进行研究。“我等了这么久才等到这样的东西，”加利福尼亚大学伯克利分校的天文学家杰夫·马西（Geoff Marcy）说，他目前是行星发现领域的佼佼者，已经发现了70颗系外行星。查尔斯·贝奇曼（Charles Beichman）作为美国宇航局“起源计划”的首席科学家，负责在宇宙中寻找生命，他对使用干涉仪寻找行星同样抱有很高的期望：“如果我们发现双星通常拥有行星，那么我们就将宇宙中的行星数量翻了一番。随着分辨率提高几个数量级，我们现在正进入天文学的黄金时代。”

光束组合实验室内部

（A）CHARA主任哈罗德·麦卡利斯特（左）和场地经理罗伯特·卡德曼站在光学延迟线之间，那里由计算机驱动的推车在50码长的轨道上运行，用于将阵列中每个望远镜的光线传播距离精确到百万分之一英寸以内。

（B）当直径为五英寸的光束从延迟线出来时，它会通过一个将光束缩小到四分之三英寸的望远镜。

（C）光束组合器将来自不同望远镜的光线汇合在一起。“这就是奇迹发生的地方，”麦卡利斯特说。

（D）技术经理史蒂夫·里奇韦在电脑前观看CHARA副主任西奥·特恩·布鲁梅拉操作，这台电脑控制着六台望远镜以及所有组合实验室设备的运行。

又一个CHARA调试的夜晚结束了，麦卡利斯特走出光束组合实验室，来到凉爽的山间空气中。哈勃宏伟的100英寸旧望远镜那幽灵般的白色圆顶上闪烁的星星正在褪色，离我们最近的恒星开始照亮东边的天空。对麦卡利斯特来说，日出和日落引发了一个奇怪的念头：“这正常吗？”如果双星有行星，而且双星比单星多，那么每天两次日出也许是正常的。麦卡利斯特的工作充满了这样的远见卓识，但在威尔逊山，天文学的黄金时代正在悄然展开，没有1920年代埃德温·哈勃凝视胡克望远镜，第一次看到我们银河系之外的星星时那种喧嚣和惊人的宣告。哈勃是一个属于他那个时代的人，充满了宏伟和大胆的言论。相比之下，麦卡利斯特是一个注重细节、追求精确的人。干涉测量时代不是为了看得更远；它关乎看得更清楚。麦卡利斯特彻夜不眠地用需要精确到百万分之一英寸的镜子延迟光波。天文学的黄金时代在于细节。