液體鏡面望遠鏡月球建造

在月球沒有大氣，重力小，能排除人為干擾，月球是天文學家觀測宇宙的理想觀測地?？茖W家多年來夢想在月球上建造一種液體鏡面望遠鏡，用反射液體旋轉(zhuǎn)盤充當主鏡。已有加拿大和美國科學家宣布在這一研究上取得重大突破，找到了能替代易在低溫下凝固的水銀，作為反射液體的材料。

加拿大拉瓦爾大學物理學家埃爾曼諾·博拉領導的加美兩國科研隊伍在出版的英國《自然》雜志上發(fā)表報告，宣布在月球液體鏡面望遠鏡研究上取得技術突破。

在月球上建立太空望遠鏡是天文學家長久以來的夢想。在沒有大氣和人為干擾的環(huán)境下，望遠鏡能更好捕捉到宇宙深處恒星的微弱光線。但是，望遠鏡的磨光鏡片成本非常高昂，精確度要求很高。即使造成，還有如何把它搬運到月球上的問題。

為了使月球觀測成為事實，科學界很早開始設想在月球上建造一種液體鏡面望遠鏡，用反射液體旋轉(zhuǎn)盤充當望遠鏡主鏡，既能降低成本，又能避免運輸途中的危險。 他們找到一種能替代水銀的反射液體材料，與水銀相比，它們更不容易在低溫下凝固。研究人員把一種防水溶劑ECOENG212加到液體鉻里，然后把水銀鋪在液體鉻上，得出的液體鏡面質(zhì)量"極為出色"，而且液體鏡在持續(xù)數(shù)月的研究過程中始終保持穩(wěn)定。

缺憾之處在于，鏡面反射性能還沒有達到標準，溶劑凝固點雖已降至零下98攝氏度，而月球溫度最低可能到零下130攝氏度。不過，科研人員認為，ECOENG212只是眾多離子化合物中的一種，并不是唯一的溶劑選擇。因此，他們對找到替代水銀的最佳材料保持樂觀態(tài)度。

報告說:"至少還有100萬種單一成分的離子性液體以及一萬億種三重成分的離子性液體，因此我們還有很多選擇，足以找到最佳液體材料，盡量降低凝固點，提高穩(wěn)定性。"科學家說，如果研制成功，月球液體鏡面望遠鏡何時登月將部分取決于人類何時重返月球。

報告說，小型月球液體鏡面望遠鏡能夠自動完成安裝，像傘一樣展開旋轉(zhuǎn)盤。然而大型月球液體鏡面望遠鏡不僅需要大量資金投入，還需要人工安裝。

也有一些人質(zhì)疑這種月球望遠鏡還存在其他局限，因為液體鏡面不能傾斜，因此只能從部分角度觀察天空。觀察者如果想追蹤天空中某一物體的蹤跡，用月球望遠鏡恐怕很難做到。

水銀反射式望遠鏡的最大弱點是只能垂直觀測上方的一小塊天空，不能傾斜，否則水銀就會溢出，因此觀測的天空區(qū)域狹窄，就像"坐井觀天"。后來，天文學家又制造出了可以旋轉(zhuǎn)的水銀反射式望遠鏡，這樣不僅能觀測正上方非常狹小的天空，而且在天體經(jīng)過水銀反射式望遠鏡上方時望遠鏡還可以通過旋轉(zhuǎn)跟蹤天體半小時。對水銀反射式望遠鏡而言，這是一個不小的進展。現(xiàn)在，天文學家甚至能通過改變水銀盤的旋轉(zhuǎn)速度，改變水銀反射式望遠鏡的焦距。

水銀反射式望遠鏡的另外一個缺點就是會揮發(fā)出有毒的水銀蒸氣。在鏡面開始形成時，水銀蒸氣量較大，操作人員應戴上防護面罩。但幾小時后，在表面形成一層氧化膜，水銀的蒸發(fā)量就會大大減少。

水銀反射式望遠鏡還有一個缺點是怕振動和風吹。由于水銀形成的是凹面，望遠鏡微小的振動都會影響其凹面的精度，因此，水銀反射式望遠鏡需要安裝在混凝土底座上，并和周圍的建筑物隔離。

制作水銀反射式望遠鏡特別簡單，水銀反射式望遠鏡的凹面用45秒的時間就可以成形。技術人員先把水銀注入一個拋物面形的盤子中，使其覆蓋盤子的大部分表面。然后旋轉(zhuǎn)盤子，使水銀在離心力的作用下散開，形成一層1~2毫米厚的拋物面薄膜。

由于水銀有較大的表面張力，制作完成的水銀表面上有時會出一些小孔。當出現(xiàn)這種情況時，可以重復操作一次。一般的操作人員經(jīng)過幾天的實際練習，都能"旋轉(zhuǎn)"出完全沒有小孔的光潔如鏡的水銀薄膜凹面鏡。

這種水銀反射式望遠鏡的價格比玻璃反射式望遠鏡便宜得多。

目前最大的單鏡面反射望遠鏡的口徑已達 8.2米，譬如日本天文臺在美國夏威夷建造的昴星團望遠鏡。如果制造更大的單塊鏡面，工藝上有很大困難，而且價格過于昂貴，因而近年來提出用多鏡面望遠鏡來增大有效口徑。

典型是歐洲南方天文臺的甚大望遠鏡(VLT)，其中VLT四臺望遠鏡的主鏡口徑均為8.2米，組合等效口徑為16米。

多鏡面望遠鏡的主要優(yōu)點是:合成的口徑大，鏡筒很短，因而望遠鏡裝架堅固，觀測室的尺寸不大，造價顯著降低。

1971年美國開始研制第一架多鏡面望遠鏡(MMT),安裝在霍普金斯山，1979年運轉(zhuǎn)，主要用作天體的紅外輻射觀測。這架望遠鏡由六個口徑各為 1.8米的卡塞格林望遠鏡組成。六個望遠鏡繞中心軸排成六角形，六束會聚光各經(jīng)一塊平面鏡射向一個六面光束合成器，后者把六束光聚在一個共同焦點上。組合后的口徑相當于 4.5米。光軸上有76厘米卡塞格林望遠鏡。它除用于導星外，主要用來發(fā)出檢測六個鏡筒的光學系統(tǒng)的激光。每個鏡筒內(nèi)的副鏡可受控而作微小的轉(zhuǎn)動和伸縮，以校正被激光及其硅檢測器檢出的失調(diào)量。這種能隨時對光束進行校正的光學技術稱為"主動光學"。六個鏡筒的星像既可以互相重合，也可以沿恒星攝譜儀狹縫排成一行以提高星光的利用率。VLT采用了更為先進的光學干涉技術，組成它的4個8.2米單鏡既能單獨使用，又能組合起來，達到一個16米口鏡望遠鏡的集光力和分辨力。

另一種多鏡面方案，則是把很多圓形或六角形的鏡面直接排列起來， 利用精度極高的定位系統(tǒng)使它們的鏡面處于一個共同的大拋物面上，每個鏡面成為拋物面主鏡的一部分。例如美國霍比-埃伯利望遠鏡(Hobby-Eberly Telescope，HET)位于美國得克薩斯州的麥克唐納天文臺，口徑為9.2米，是一臺固定機架的球面望遠鏡。HET主鏡由91塊八邊形的子鏡面拼接而成，等效口徑9.2米，焦距13.08米。每個子鏡面直徑1米，厚5厘米，用超低膨脹的微晶玻璃制成。位于美國夏威夷的莫納克亞山上的兩臺凱克望遠鏡(口徑10米)也采用了這種技術。

正在建造和研制中的巨型麥哲倫望遠鏡(GMT,口徑25米)和 歐洲極大望遠鏡(E-ELT，口徑39米)也是采用了多鏡面主動光學技術。