在沙漠深处遥望宇宙

路西

在广阔无垠的宇宙中，除了地球所在的太阳系以外，还有许许多多的恒星、行星、星系，以及黑洞等。如果天文学家想要解开更多的宇宙谜题，就需要在宇宙中看得更远更清楚，为此，天文学家需要建造更大、精度更高的望远镜。目前，众多大型望远镜已经在计划和建造之中了，其中就包括极大望远镜（简称ELT）。ELT由欧洲南方天文台的十六个成员国共同承建，并选址于南半球的智利，这里是众多先进天文仪器的大本营。如果ELT建成，天文学家不仅能够找到上述问题的答案，而且还能直接观测外星天体。

奔赴南美洲的欧洲天文学家们

在智利拉西拉天文台的控制室中，来自意大利的研究员西蒙娜·奇切里正紧盯着一排监视器，她的手里拿着一张纸，上面潦草地写着几个坐标。接下来的一整晚，操作员会将望远镜锁定在这几个位置，奇切里需要一直守在这里，寻找太阳系外的行星。奇切里是每年前往智利的数百名国际天文学家之一，为了找到和确认新的行星，她可能需要在智利呆上几个月。

智利在天文学家心中的明星地位始于拉西拉天文台的建设。20世纪60年代初，世界上所有的大型望远镜都安装在北半球，天文学家只能看到半边的天空。然而为了研究银河系和麦哲伦星云的中心，欧洲的天文学家们不得不去南半球。

1962年10月5日，德国、法国、比利时、荷兰、瑞典五国在法国巴黎签署了一份协议，决定共同在南半球建立天文台，并命名为欧洲南方天文台（ESO），后来丹麦、芬兰、意大利等国家也陆续加入ESO。因为智利阿塔卡马沙漠气候极度干燥，平均每年只下6天的雨，而且空气十分干净，非常适合观测天空，所以当时的几个欧洲国家最终选定智利阿塔卡马沙漠为ESO的台址，并且联合在海拔2400米的地方建造了第一座南半球大型天文台——拉西拉天文台。（现在欧洲南方天文台在智利主要有三个观测地：拉西拉天文台、帕瑞纳天文台和拉诺德查南天文台。）

神秘天体充满宇宙

当拉西拉天文台于1969年3月落成时，天文学家还没有发现一颗系外行星。直到1995年，人们才第一次确切地观测到一颗距地球40光年的气体行星，它的运行轨道非常靠近恒星，每4个地球日就完成一次恒星环绕。从那以后，天文学家观测到的系外行星数量一直在不断增长，截至2019年2月10日，已确认的系外行星数量是3912颗。

这些新发现的行星有着各种各样的特点，有些甚至颠覆了我们原本对行星的认知。例如，距地球420光年以外，有一颗和土星十分相似的系外行星J1407b，它竟然拥有37个行星环，直径是土星的200倍，达9000万千米，因此它也被称为“超级土星”。另外还有一颗名为开普勒-16b的行星，它会围绕着两颗恒星运行，也就说在它的天空里会有两颗太阳。

在已经确认的全部系外行星中，70%的发现要归功于开普勒太空望远镜。2009年，美国国家航空航天局（NASA）将开普勒太空望远镜派往太空执行一項十分无聊的任务：连续4年来回扫描太空的同一小块区域。在扫描的过程中，开普勒会收集该区域约15万颗恒星发出的光，用一种间接的观测方法——凌日法寻找系外行星。由于行星相对于恒星来说非常小，比如：太阳包含了太阳系中99%的物质，可以容纳130万个地球，望远镜在非常远的位置将无法直接看到小小的行星。不过，如果太空望远镜位于太阳和地球的正前方，每当地球经过太阳和望远镜之间，它就会挡住一些阳光。对于系外行星来说也一样，如果望远镜探测到一颗恒星发出的光以固定的时间间隔减少，这意味着一颗或者多颗行星围绕着恒星旋转。2018年，开普勒太空望远镜由于燃料耗尽正式退役，不过它的成果十分丰硕，截至2019年2月10日，开普勒望远镜发现了已确认的2696颗系外行星，还有2896颗已发现但未经确认的行星。

寻找“跳舞”的恒星

天文学家们还远远没有完成对开普勒提供的大量数据的研究，奇切里的任务就是精确地调查一些候选的系外行星，以便正式确认它们的身份，她所使用的方法是寻找“跳舞”的恒星。

准确地说，这种方法叫做径向速度法，也叫多普勒光谱法，它来源于多普勒效应。那么什么是多普勒效应呢？

你一定有过这样的经历，当一辆救护车在你眼前呼啸而过的时候，随着救护车离我们的距离由远变近、再变远，警报声的音调也先是变得尖利，然后恢复平缓。因为当光波或声波的波源与观察者发生相对运动时，就会产生多普勒效应，即当波源（救护车）接近观察者时，观察者接收到的波的频率会变高（你听到的声音的频率会变高），当波源远离观察者时，观察者接收到的波的频率会变低。

恒星就是光源，正朝我们（地球）移动的恒星所发出的光频率更高，以可见光光谱——红橙黄绿青蓝紫为例，光的颜色会更蓝，被称为蓝移，而远离我们的恒星会看起来更红，被称为红移。当然，恒星发出的光并不一定在可见光范围内，红移和蓝移只是代表恒星所发出的光波频率在光谱上的移动。

行星的引力会使恒星轻微地摇晃，在我们的眼中，恒星就像是在跳舞一样。如果奇切里通过红移和蓝移发现了一颗正在跳舞的恒星，那么很大程度上行星正在拉着恒星。

径向速度法是天文学家寻找系外行星强有力的工具之一，而拉西拉天文台的高精度径向速度行星探测器（HARPS）是同类仪器中最杰出的。迄今为止，它已经发现了许多的类地行星。2016年，天文学家使用HARPS发现了一颗类地行星，它围绕着距太阳最近的恒星——半人马座比邻星运转，它与其恒星距离为700万千米，质量至少为地球的1.3倍。2017年，一个比利时研究小组公布了一项发现：七颗行星围绕着一颗矮星运行，形成了一个类似太阳系的星系，该发现也受益于HARPS。为了纪念自己家乡的啤酒，这些天文学家将该系统命名为TRAPPIST-1，在该系统中，多达3颗行星与地球相似，并提供了可能容纳生命的条件。

拍摄行星的照片

当我们在夜间凝视美丽的星空时，我们的瞳孔会扩张以便收集更多的光线，从而可以看见那些更昏暗的星光。但是人眼收集光线的区域很小，因此，天文学家使用大镜面的望远镜，来看向更深更远的星空。自从反射式望远镜（使用曲面和平面的镜面组合来收集和反射光线，并形成影像的光学望远镜）发明以来，镜面变得越来越大。

在ELT建成以前，甚大望远镜（VLT）无疑仍是欧洲南方天文台的主角。它由四个筒仓组成，每个筒仓都有一个主镜望远镜，每个主镜（用于接收光线）直径8.2米。这四台望远镜既可以单独使用，也可以组成光学干涉仪，每个望远镜所收集到的光通过复杂的地下通道系统结合起来，天文学家可以看到遥远行星更细微的细节。例如，我们可以在地球上看到国际空间站里一颗螺丝钉上的螺纹（国际空间的运行轨道位于地表上空400千米）。同时，每台望远镜都配有先进的仪器，比如ESPRESSO和SPHERE，解释它们的名字并没多大意义，我们在此省略。

ESPRESSO是最新一代光谱分析仪器，它是HARPS的后继者。HARPS可以探测到速度为3.5千米/小时的恒星运动，而ESPRESSO和4个VLT望远镜一起工作，可以捕捉到速度为0.35千米/小时的恒星运动。因为小行星对其恒星的作用力要小于大行星，因此灵敏的ESPRESSO可以发现更多更小的类地行星。

SPHERE解决了星光闪烁的问题，虽然我们看到“一闪一闪”的小星星时会感到非常好玩，但是对天文学家来说，这是一件烦人的事。星光闪烁是因为地球大气层中的尘埃颗粒扭曲了光线。SPHERE包括自适应光学系统，可以调整某一小部分镜面的形狀，每秒可以变动1200次，来矫正光线。2016年，天文学家第一次利用SPHERE拍摄到了一张行星照片，这是一颗类似木星的行星，围绕一颗365光年外的恒星运行。

打破记录的望远镜

在不久的将来，一个主镜直径为39米的“巨型天眼”ELT将会坐落在智利阿马索内斯山顶，并将天文观测提升到新的高度。ELT将比世界上现存的所有反射望远镜加起来还要大，能够收集的光量将是目前最大光学望远镜的15倍。

主镜、二级镜、三级镜和自适应镜面是ELT的精髓，它们的功能和精度都将打破记录。由于VLT所使用的8米左右的镜面已经达到了制造、运输和维护的极限，为了制造更大面积的镜面，主镜将被分解成798个小的六边形镜面，每个小镜面为1.4米宽。另外，绰号为“橡胶镜子”的镜面负责自适应光学。它的直径为2.6米，只有2毫米厚。该镜面有8000个控制单元，这些控制单元将根据大气或风力进行每秒数千次的调整。二级镜和三级镜负责收集和聚集光线。二级镜直径为4.2米，重3.5吨，这面镜子由德国铸造，冷却一年后，法国的专家们会打磨镜面，直到偏差值不超过15纳米。

2024年，当ELT指向智利的天空时，天文学家将能够聚焦于以前根本看不清的遥远天体，并且在未来数十年里，ELT都将是世界上最大的光学望远镜。不过天文学家们不会止步不前，未来的望远镜将会突破什么样的极限呢？让我们拭目以待。