天文太空

未來的巨無霸望遠鏡

摩爾定律的天文版指出,望遠鏡的大小每幾十年就會加倍。但今日的設計者認為,他們在十年內就可以建造出 三倍大、五倍大,甚至是十倍大的望遠鏡。

撰文/吉爾莫基(Roberto Gilmozzi)
翻譯/郭兆林
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天文太空

未來的巨無霸望遠鏡

摩爾定律的天文版指出,望遠鏡的大小每幾十年就會加倍。但今日的設計者認為,他們在十年內就可以建造出 三倍大、五倍大,甚至是十倍大的望遠鏡。

撰文/吉爾莫基(Roberto Gilmozzi)
翻譯/郭兆林
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我在智利帕拉拿天文台最美好的時光之一,是一天工作後在夜晚登上「天台」之時;「天台」是我們放置超大望遠鏡(Very Large Telescope, VLT)的平台,架著四具8米的望遠鏡。這感覺很神奇:廣漠浩瀚的星空,緩緩移動的圓頂,我有點犯規卻愉快的吞雲吐霧,微泛乳白光的地平線,隱約襯出幽微的沙漠。當我佇立欣賞全世界最先進的望遠鏡VLT時,四架430噸重的機器正靜靜與天穹共舞著曼妙的芭蕾,不禁感歎自己是何其幸運能參與這麼棒的計畫!這是全人類共享的成就。就像今日其他偉大的望遠鏡,如凱克天文台、哈伯太空望遠鏡以及極大陣列電波觀測站等,VLT具備人類現今文明所擁有最高的科技。若追蹤每部份的誕生,最終將會發現這是數百萬人的共同成就。

但天文學家從不停下腳步。VLT一完工,就有許多人開始構思下一代的望遠鏡,主鏡直徑將會達25、30,甚至是100米。我深入參與設計的構想,是個稱為OWL的龐然大物(一方面是因為它像貓頭鷹具有敏銳的夜視力,一方面是指其overwhelmingly large超級大的尺寸),百米大的鏡子將會幾乎蓋滿帕拉拿天台。

如同所有的新科學儀器,目前運作的8~10米望遠鏡不僅回應了建造之初所欲探尋的問題,也揭開更新、更深入、更具挑戰性的問題,需要更大的儀器來回答。諸如分析其他恆星系統裡類地行星的組成,並尋找生命跡象;研究宇宙最早形成的星系;了解暗物質與暗能量的本質;拍攝太陽系裡太空船無法到訪的各種星體等,這一切一切促使天文學家邁向下一代巨大的光學望遠鏡,其能力將超過現今千百倍。目前,歐洲已有許多單位視此類望遠鏡為發展天文學首要優先計畫,美國國家科學院(NAS)則視其重要性僅次於哈伯太空望遠鏡的下一代──詹姆斯˙韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope, JWST)。現在有許多計畫正在草圖階段,包括OWL、30米望遠鏡(Thirty Meter Telescope, TMT),以及24米的巨型麥哲倫望遠鏡(Giant Magellan Telescope, GMT)。

在過去,望遠鏡遵循了自己的摩爾定律:每一代的望遠鏡約是前一代的兩倍大,並且花費幾十年的時間發展建造。這個趨勢尤其能以20世紀的「加州發展史」做說明,如威爾遜山的2.5米胡克望遠鏡(1917年)、帕洛馬山的5米赫爾望遠鏡(1948年)、夏威夷茂納開亞火山的10米凱克雙望遠鏡(1993年)。依循先例,下一代望遠鏡的直徑應該是20米,在2025年左右開始運作。那麼,我們這些妄想10年內建造出25米,甚至是100米望遠鏡的人瘋了嗎?若仔細探查建造一架望遠鏡的挑戰,我們可以相信天文學家並沒有發瘋!因為現在,除了巨型地面望遠鏡的迫切需要,必需的科技也已經存在了。

看得再多一點
挑戰望遠鏡摩爾定律的一項大動力,是因為天文學家已經快窮盡其他提高儀器收集光束能力的方法了。光線先從反射式望遠鏡的主鏡反射,再經由次鏡反射,聚焦在一個便利之處,既可以用眼睛觀看,也可以照相,或者是分光成彩虹色以進行光譜分析。當天文學家談到望遠鏡的尺寸大小時,是指主鏡的直徑,若主鏡尺寸加倍時,可以看到亮度1/4的天體,也等同於同樣光度但距離是兩倍遠的天體。

過去50年來,望遠鏡對於黯淡的物體變得更加敏銳,這不只是因為望遠鏡直徑變大,也是因為偵測器的技術進步所致。5米的赫爾望遠鏡建造時,所使用的照相板僅能吸收到百分之幾的光線。然而,今日的電子偵測器具有近乎100%的效率,在靈敏度的提升上相當於望遠鏡直徑變大五倍。因此,實際上現代望遠鏡就靈敏度而言,已是前代望遠鏡的10倍。由於目前偵測器的效能已無進步空間,若下一代望遠鏡要做相同的躍升,直徑就該達100米。

未來各式望遠鏡設計的團隊,對於自己究竟能夠造出多大的望遠鏡,一直有著熱烈的討論,但是沒有人會懷疑下一代望遠鏡對大幅提高尺寸的需求。傳統上,望遠鏡設計的尺寸受限於人們製造鏡片玻璃的能力,包括成形與拋光等。可見光的波長比無線電波長更短,所以雖然無線電碟型天線可造得很大,但是其要求不如光學鏡嚴格;就像是用手指夾沙粒的動作,要比拿石頭更加精細了。

5米的赫爾望遠鏡具有拋物面鏡,表面粗糙度低達50奈米:若望遠鏡像大西洋這麼大,則表面上最大的突起僅有5公分高。在拋光時,建造者使用木製的拋光工具以及松脂,到最後階段時,他們用手進行細微的修正。這項工作花了11年(其間發生二次大戰),每兩天測量一次形狀。

現在的反射鏡是在電腦控制下製造,大幅縮短所需的時程。VLT那四面8.2米的鏡子便各在一年內完成拋光,幾乎時時進行測量。即便形狀(雙曲面,聚焦最為精銳)更加複雜,VLT的表面品質相當於或甚至稍勝赫爾望遠鏡。所以,拋光已不再是最主要的障礙了。

一個更大的問題是製造玻璃本身。要鑄成8米寬的玻璃,望遠鏡製造者必須要有專門的工廠,而且要由許多錯誤嘗試來學習經驗──通常得打破幾個鏡子才能完工,目前的技術連應付兩倍大的鏡子也不夠。幸好,義大利天文學家達土羅(Guido Horn D崒rturo)在1932年提出一個解決辦法:分截式鏡。例如,凱克雙望遠鏡的反射主鏡便是由36面各1.8米寬的六角鏡所拼成。六角形可讓鏡子組裝成雙曲面,而每面六角鏡的曲面稍有不同,端視離鏡子中心的距離而定。原則上,這種設計讓反射鏡要做多大都可以,缺點則是需要調準每面鏡子到次波長的精準度,以及如何將連接處對影像品質的影響降到最低,還得要抵抗風吹震動。