大口径望远镜的创新尝试

郭红锋

宇宙是浩瀚的，宇宙奥秘是无限的，天文观测所需要的望远镜口径也是越大越好，但望远镜口径继续增大在实际制造中却遇到越来越多的困难。望远镜口径增大带来的问题是主镜大自重也大，因而支撑镜筒的部件和转动的部件，以及方方面面的部件都随之增大，控制运行十分困难，矫正变形也非常不易，以至于大口径望远镜在技术上做得出来但设计效果难以达到（类似苏联的6米反射望远镜）。

山重水复疑无路，柳暗花明又一村。科学探索的道路也是一样，好像望远镜口径扩大的路已经走到了尽头，但创新的路就在脚下。

制造大口径望远镜的技术瓶颈

在我们的望远镜系列故事里谈到，天文望远镜的第一指标是口径。自从发明望远镜以来，天文学家就致力于建造更大口径的望远镜，以期看到更暗弱的天体和更遥远的宇宙。

传统光学望远镜的口径从1609年伽利略望远镜的几厘米口径，不断扩大到1948年海尔望远镜的5.08米口径，达到了单口径光学望远镜的极限。虽然在1975年，苏联建造了结构类似、口径6米的反射望远镜，但其观测效果并没有海尔望远镜好。因此，直到现在人们一直称海尔望远镜为传统反射望远镜的极限，就如同叶凯士望远镜是折射望远镜的极限一样。

大口径望远镜创新尝试

其实，望远镜从发明以后就经历了不断的改进和创新，比如开普勒改进了伽利略望远镜，使其视场更大，观测更方便;牛顿改进了望远镜的光路，制作出了反射望远镜，使光路在镜筒里转折，镜筒变短，有利于造大望远镜;卡塞格林改进了牛顿望远镜的输出光路，大大方便了现代大型反射望远镜及其后端设备的使用;施密特优化了折射镜和反射镜的参数，制成了折反射望远镜，解决了望远镜大口径和大视场之间的矛盾，等等。现代望远镜发展出很多新品种和新类型，但殊途同归，都是为了更有效地接收宇宙天体辐射来的信息。

多镜面望远镜

多镜面望远镜（Mult iple Mir rorTelescope，简称MMT）是20世纪70年代发展的以“化整为零”为理念，用多个小口径等效一个大口径望远镜的尝试。MMT项目将多台小望远镜安装在同一个固定的镜架上（即一架多镜），使它们整体一起运动，同时指向同一个目标，然后把各台小望远镜接收到的光束引到一个公共焦点上，经过光束合成处理，得到目标的像，达到一架等效的大口径望远镜的成像效果。MMT 的设计理念突破了大口径望远镜的制造瓶颈，这个创新理念影响了后世大口径望远镜的发展方向。

MMT的工作原理

为了保证各台小望远镜的步调一致、协同运动，以及光束合成的准确性，MMT在指向和跟踪天体的全过程中，望远镜的安装镜架必须高度稳定，各台小望远镜的镜筒还必须高度自动控制。在观测时，每一台小望远镜的镜筒实际位置都要由专门的激光束来测定，并将测定结果实时反馈给主控系统的计算机，由计算机实时控制和调整，保证各台小望远镜筒自始至终指向同一目标，最终目的是使光束合成后的星像达到等效大望远镜的效果。

世界上第一架多镜面望远镜是在1971年由美国史密森研究所霍普金斯天文台和亚利桑那大学联合研制的，于1979年投入使用，1998年退役。望远镜的原始结构由6台“独立”的小型望远镜筒，安装在同一支撑结构上的圆形阵列中。6台望远镜都有一个直径为1.8米的主镜和各自的副镜。因为它们都安装在同一个镜架结构上，所以能够一致地指向同一个天空区域。每一台小望远镜收集的光都通过光学技术合成起来，实现了4.5米口径望远镜的有效收集面积。在1979 年投入使用时，它成为当时世界上第三大光学望远镜。

MMT是第一个利用这种创新理念设计大口径望远镜的尝试，被用作开创性科学技术的试验台，它不仅验证了制造多台小望远镜比制造一台大望远镜容易得多，而且由于结构紧凑使得安装望远镜的建筑规模也要小得多，当然各种费用和造价也节省得多。

后面我们会介绍更多具有创新理念的现代大口径望远镜，这些大型科學装置，正源源不断地为我们带来宇宙深处的信息，让我们理解宇宙运行的原理，洞悉宇宙演化的奥秘。