地面上嘅望远镜，比太空入面嘅哈勃还强？

转载：本文来自微信公众号“极客公园”（ID:geekpark），作者：脸脸，转载经授权发布。

3 月中旬，巨型麦哲伦望远镜宣布已经完成‌第六块镜子嘅熔铸。呢个曾经因工程量巨大而引起担忧嘅巨型地面工程，喺建成嘅路上再次迈出重要一步，等人更加期待佢投入使用嘅那一日。

巨型麦哲伦望远镜（Giant Madellan Telescope），简称 GMT，属于地基极端巨大望远镜，位于智利嘅拉斯卡姆帕纳斯日文台。作为一个全球性嘅科学项目，参同方包括美国、巴西、韩国、澳大利亚等，自 2015 年开始动工以来一直备受关注，目前耗资已经达 10 亿美元。

据该项目嘅相关人员介绍，投入使用后，GMT 捕捉到嘅图像将比哈勃太空望远镜清晰 10 倍，同时会比人哋期待已耐嘅詹姆斯韦伯太空望远镜清晰 4 倍。

哈勃望远镜远在外太空，已经服役 30 年，不断为人类传送回好多等人叹为观止嘅遥远恒星同星系嘅图像，而家快要退休嘅佢，一度被认为是最强嘅空间望远镜，而 NASA 耗资 100 亿美元嘅「詹姆斯韦伯太空望远镜」则被认为是比哈勃更强嘅接班人。

巨型麦哲伦望远镜比这两位太空望远镜还强是乜嘢概念？

意味住从地面上睇星星，将比在宇宙飞船上睇星星还要清晰。

从地面到太空

作为人哋同未知星空嘅连接桥梁，望远镜嘅功能从诞生之初，就是帮助日文学家观测未知嘅宇宙，要睇嘅远，仲要要睇嘅清晰。

1609 年，伽利略制作‌一架口径 4.2 厘米嘅望远镜，观测到‌凹凸不平嘅月球表面。这是世界上第一台日文望远镜，开辟‌日文学嘅新时代，喺今后嘅发展过程度，日文望远镜按照不同波长同不同嘅设计同运作方式，但系分为：射电望远镜、红外线望远镜、光学望远镜等。

射电望远镜比如中国天眼，接收嘅系肉眼不可见嘅嘅射电波段，而光学望远镜比如 GMT 同哈勃，则是接收可见光波段，形成具体嘅可视图像。值得一提嘅系，哈勃望远镜在接收可见光嘅同时，仲可以观测到部分嘅红外同紫外光线。因为捕获嘅光嘅波长嘅范围同人眼相近，更接近人眼观察特点，我哋目前睇到嘅绚丽多彩嘅宇宙图像，大部分都来自光学望远镜。

但想要睇到更清晰嘅宇宙，从地面观察受限太多：地面同太空之间存在住一道天然屏障——大气层，这是光学望远镜自诞生以来就一直面临嘅问题，

初中地理知识：大气层会吸收并且反射绝大多数来自太空中嘅紫外线、红外线等各种电磁辐射，只有可见光，少数红外线同射电波可以穿过大气层到达地球表面。加上大气层嘅流动循环，人哋只能不断选择在更高嘅海拔，找寻更稀薄嘅云层，利用更好嘅观测条件来建造日文台。

1946 年，喺望远镜出现嘅 300 年后，美国日文学家莱曼斯必策提出「如果人类能够将日文望远镜放喺太空度，噉么人类就有‌一双更厉害嘅眼睛，能够睇嘅更远」。随后，航日技术嘅进一步发展，呢一设想最终变成现实，人类开始将望远镜送入太空。

在随后嘅几十年度，哈勃太空望远镜问世，由于资金等问题，口径从最初嘅预计嘅 3 米缩短至‌ 2.4 米，发射时间都不断推迟。1990 年，发现号航日飞机最终将哈勃望远镜送上‌太空，带住探测宇宙深空，解开宇宙起源之谜嘅任务，哈勃在近地轨道一直运行至今。

太空望远镜是一座人类日文史上嘅入面程碑，这相当于将眼睛直接放到太空，打开‌全新嘅宇宙窗口，成功弥补‌地面观测嘅不足。目前哈勃嘅超深空现场则是日文学家目前所能获得嘅最敏锐同深入嘅光学影像，是可见光影像中宇宙嘅最深处。而目前最有可能成为老兵哈勃嘅继任者嘅詹姆斯韦伯望远镜嘅主镜口径为 6.5 米，是哈勃望远镜嘅 2.7 倍以上，聚集能力是哈勃嘅 6 倍，理论上，韦伯望远镜甚至可以目睹宇宙嘅第一缕光芒。

耗资巨大，被认为是日文学未来嘅太空望远镜，而家要被地面工程赶超‌？

地面上嘅巨人家族

GMT 点解咁强？因为佢够大。

对于光学望远镜而言，想要睇到更远更暗嘅地方，就需要更强嘅集光能力，都就是更大口径嘅镜子。但太空望远镜嘅高成本、运输承载能力等技术限制，更大口径嘅光学望远镜目前只能建在地面。

从 20 世纪 80 年代开始，国际上掀起‌制造新一代大型望远镜热潮，地基望远镜中嘅巨人家族计划问世。极大望远镜计划，指嘅系日文台使用嘅直径大于 20 米嘅望远镜。包括在建中嘅 39 米口径嘅欧洲极大望远镜（E-ELT）同位于夏威夷嘅 30 米口径望远镜（TMT）等。

作为巨人家族其中一员，巨型麦哲伦只能排老三。

GMT 包含七个直径 8.4 米嘅主镜，一片中央主镜片，6 片离轴镜片，像花朵一样嘅排列方式，6 个环绕在四周嘅镜片能够观察到中心镜片唔可以观察到嘅任何角度嘅光线。因此，呢种设计令这台望远镜将形成 24.5 米直径嘅集光区域，咁样嘅集光能力足以在近 160 公入面（100 英入面）外睇到刻在硬币上嘅火炬。而而家地面上最大嘅光学望远镜是凯克 10 米级望远镜，但系以从 10 公入面外读出报纸上嘅标题文字。

麦哲伦巨型望远镜片排列方式效果图｜GMT 官网

咁大嘅镜片，制造时间相当漫长，刚铸造完成嘅第六面镜子，企喺边缘时约有两层楼高，为 GMT 进行镜子制作嘅系亚利桑那大学镜头实验室——世界上最大嘅望远镜镜头制造领军者。纯手工制作嘅每一面镜子，都需要 20 吨硼硅盐酸玻璃来铸造，耗费将近三个月嘅时间铸造完成后，仲系要要大约 6 个月嘅时间来冷却。随后需要经历耗时两年嘅抛光过程，弯曲成一个精确嘅形状。最终使得每一面镜子嘅表面光学精度小于人类头发宽度嘅千分之一，新冠病毒粒粒嘅 5 分之一。

其实从 17 世纪开始，人哋一直在追求更大嘅口径。

但传统方法下嘅大口径受到当时嘅技术限制，制作出嘅镜片十分厚重，为‌维持表面形状，避免自重过大等原因带来嘅变形，口径都相应受到限制。

80 年代后，更轻薄嘅镜面制作、分割镜面以及主动光学技术出现。薄镜面主动光学就是用一个动态支撑系统来进行控制主镜形状，通过改变主镜形状来补偿由于外界力量，像风、重力等带来嘅扭曲，从而维持最佳成像状态。从此，光学望远镜有‌向更大口径前进嘅条件。

躲过‌口径上嘅限制，是所有地面望远镜都会遇到嘅问题——大气。同样嘅，口径越大，集光过程中受大气湍流嘅影响都就越大，眼前嘅「雾霾」会更重。对此，自适应光学系统嘅出现则相当于畀望远镜戴上‌一副矫正「眼镜」。自适应光学是一种智能嘅精密仪器，系统中嘅波前传感器可用于检测光波嘅失真，然后再对图像实时计算同校准，镜片嘅厚度可以自动变形，用来应对地面望远镜遇到嘅大气湍流问题。

巨型麦哲伦望远镜其中一面镜子正喺度制作中｜GMT 官网

极大望远镜计划中嘅呢啲「巨人」全都采用分割式镜片来组成主镜，配备更强嘅自适应光学系统，用来减少由于大气层干扰引起嘅图像失真，捕捉到比目前更清晰嘅星体图像。

目前 39 米口径嘅欧洲极大望远镜同位于夏威夷嘅 30 米望远镜都正喺度建造度，因为工程量巨大，加上新冠疫情嘅影响，预计完工时间在不断推迟。虽然排行老三，但作为巨人家族中第一台开始施工，都是完成进度最高嘅超大型地面望远镜，巨型麦哲伦如果按计划顺利投入使用，将成为世界上最大嘅光学望远镜。

仰望星空

距离人类第一台望远镜发明至今，已经有 400 多年。

在漫长嘅发展过程度，从单片发展到多片，从地面观测发展到上日巡视，从最初只有 4.2 厘米，到而家”世界上最大嘅日文望远镜”嘅称号数易其主。不仅是利用人眼可见嘅可见光进行观测，现代望远镜同时利用‌射电波同×射线来探测宇宙嘅奥秘，但不论是地面望远镜还是太空望远镜，射电望远镜还是光学望远镜等等，佢哋最终嘅目标都系浩瀚嘅宇宙。

告别过去人哋只能用肉眼进行日文观测，望远镜成‌人类探索宇宙最有效嘅电子「眼睛」。

太空望远镜曾经一度打破‌人类对宇宙嘅认知，嗰啲夜空中人眼无办法观测到嘅灰暗部分，被拍摄成清晰嘅图片传回地球，引来一片惊呼，但是这还远远不够。

3 月 7 日，NASA 对外官宣称哈勃望远镜在再一次进入‌安全模式。外界一直好奇哈勃究竟仲可以正常运行几耐，但系以肯定嘅系已经超额完成任务嘅佢离退休不远嘎啦。同样哋，詹姆斯韦伯望远镜迎来好消息：已经完成‌最终嘅功能测试，预计将喺今年 10 月份发射。呢个 NASA 同欧空局最初预算 5 亿，最终完工耗资将近 100 亿美元嘅太空望远镜项目，虽然发射时间一再推迟，但佢将会帮助我哋洞察宇宙嘅过去：从大爆炸之后嘅第一缕光，到银河系嘅形成同演变。