日本斯巴鲁8米望远镜

郭红锋

科学家需要更大口径的望远镜来观察更深远的宇宙。传统大口径望远镜为了维持镜面的形状，避免受到外界影响和自重造成的变形，都做得非常厚重，而这样的望远镜口径增大到一定程度即使能制造出来也难以达到设计效果。因此，科学家首先要解决镜子轻型问题。

早在科学家制造海尔望远镜的时候，为减轻主镜的重量，已经采用了把厚重的镜子背面铸成蜂窝状的设计，但海尔望远镜的5米直径主镜仍然达13吨之重，如果继续沿用海尔望远镜的方法扩大口径显然不是明智的方法。后来，很多人研究了把望远镜主镜变薄来减重的方法，但镜面变薄后带来的严重变形和刚度变差等一系列问题，在那个时代还无法得到解决。

一、主动光学的应用

现代大口径望远镜的发展，得益于多学科、高技术的发展，及其在望远镜制造上的应用。20世纪八十年代发展起来的主动光学技术，极大地助力了大口径天文望远镜的研发和制造。为了克服薄镜面的变形问题，人们把许多小促动器（能够给镜面施力的器件）连接到镜子背面。镜面的变形由高精度检测技术测量，其结果输入到计算机中进行实时计算，并控制每一个促动器加给镜面力的大小和方向，从而使大口径主镜面在运行中始终能保持正确的、满足观察目标成像要求的、精确的反射镜形状（见图1）。

图1 现代大口径望远镜

二、自适应光学的应用

自适应光学是一项针对大气抖动造成光波的波前畸变而发展起来的光学镜面矫正技术。

地球表面的大气层对望远镜观测有影响。大气虽然是透明的，但也是流动的，会造成星空目标辐射来的“步调一致”的光线变得“扭曲”（见图2-1），影响最终的成像质量（使星点变形）。自适应光学首先要检测星光波前扭曲的情况，然后通过安装在望远镜焦面后方的一块小型的可变形镜面，针对星光波前的变化进行实时矫正。可变形镜面的面型由其背后的促动器控制，根据星光波前的变化改变自身的面型，以适应被大气扰动了的光波波前情况。矫正以后的光波变得整齐一致（见图2-2），成像就优良了。促动器数量可以有数十个到数千个不等，每次调整矫正要在大气扰动的频率范围内（0.5～1毫秒级）及时间内完成，所以自适应光学是在更短的时间尺度上进行镜面矫正，从而来补偿大气层对图像造成扭曲的影响。

自适应光学与主动光学不同，它不是调整因重力形变等因素造成的主镜变形对星像质量的影响，而是用于补偿和修复大气湍流等因素带来的对星像质量的影响。

主动光学和自适应光学的发展，使望远镜的设计思想有了新的超越，已经逐步成为大型光学望远镜广泛使用的技术，并为下一代更大口径望远镜的建造开辟了出路。新一代大口径望远镜普遍使用薄而轻的镜面，同时采用高精度检测和计算机自动控制技术，这些新技术的应用和发展都为下一代更大口径、更高水平的望远镜制造铺平了道路。

日本国立天文台1992年始建的斯巴鲁（SUBARU）望远镜，以昴星团的日文命名（有聚集在一起的意思，代表日本天文界通力合作的结果），于1999年建成并安装在夏威夷岛莫纳克亚火山（4163米）上，其主镜口径8.2米，建成时是世界最大的单一镜面望远镜。由于采用了零膨胀玻璃制作成超薄镜面，厚度只有20厘米，重量仅有22.8吨，并且安装了主动光学和自适应光学系统。斯巴鲁望远镜还采用了多个和以往望远镜不同的新技术，例如望远镜的圆顶采用了圆柱形（而不是像大多数其他天文台那样是半球形的），高约43米，直径40米，并在顶部安装有风扇，以改善空气流动，减少望远镜附近的空气湍流。

图3 日本斯巴鲁望远镜

图4 斯巴鲁望远镜对暗物质和黑洞的观测起到了很大作用

斯巴鲁大型光学/红外望远镜的三个主要特点：一是镜面薄，通过主动光学和自适应光学获得较高的成像质量;二是计算机自动控制可实现0.1秒的高精度跟踪;三是采用圆柱形观测室，自动控制通风和空气过滤器，使热湍流的排除达到最佳条件。该望远镜自1999年投入使用以来，一直保持同类仪器中（单一口径望远镜）最大的记录，在天文观测和宇宙研究中发挥着重要的作用。截至2019年，天文学家已经使用此望远镜发现了1824颗新的超新星。其中54颗是罕见的la型超新星，距离地球超过80亿光年。斯巴鲁望遠镜和超级相机已经帮助研究人员绘制了暗物质的3D图，并对原始黑洞进行了观察。如果不采用薄镜面、主动光学和自适应光学技术，以及其他配套的最新科学技术成果，这些成果是不可能完成的。

问题1：

你还知道哪些著名的，采用现代化高科技的大型天文望远镜？

问题2：

你有什么对未来望远镜发展的想法和建议吗？

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