望遠鏡也有金鐘罩？_風聞

一説起天文台，可能大家的第一反應就是望遠鏡，腦海裏出現的畫面極有可能是像圖1左邊的圓頂。但實際上，真正的望遠鏡卻藏身在其中。比如圖1右側的我國自制最大通用光學紅外望遠鏡——2.16米望遠鏡（白色的立方體和橙色支架支撐的部分）就比它置身於其中的圓頂要小的多。今天我們就來聊聊把望遠鏡罩在其中的“巨無霸”——望遠鏡的圓頂。

圖1. 興隆觀測站，雪中的2.16米望遠鏡圓頂（左）以及圓頂當中的2.16米望遠鏡（右）。圖片源自：

http://www.bao.ac.cn/gcsb/201707/t20170712_4832310.html

望遠鏡舒適的“家”

望遠鏡圓頂最重要、最基本的作用，就是為望遠鏡提供一個可以安穩存放的“家”。昂貴的光學望遠鏡基本可以認為是一個超大號版的單反相機的長焦鏡頭。這樣的長焦鏡頭非常嬌貴，風沙雨雪都會對它的使用壽命和觀測性能產生極大的影響。也正因為如此，不同於普遍露天的射電波段“大鍋”，在建設光學紅外望遠鏡時，基本都需要同時考慮建造相應的圓頂和其外圍結構，把望遠鏡安裝於其中。

圖2. 500米口徑射電望遠鏡FAST。射電波段望遠鏡普遍不需要圓頂保護。圖片源自：https://www.nature.com/articles/d41586-018-07690-6

不僅如此，為了讓望遠鏡能夠在圓頂中住得舒舒服服，圓頂內的空間也要足夠。而且，為了天文學家能夠方便觀測以及維護望遠鏡，還需要在圓頂和外圍結構中設置觀測室、光學實驗室、小型機加工車間、鍍膜間等配套設施。尤其是現代大口徑光學紅外望遠鏡，望遠鏡和科學儀器構成的整個系統本身就極為複雜，在圓頂及外圍結構中就需要額外設置相應的安裝、維護工作區（如圖3），這就使得整個圓頂儘管外面看上去很大，但裏面空間其實很緊張，只有合理安排才能保證望遠鏡高效運行。

圖3. 兩台10米口徑的凱克望遠鏡圓頂及外圍結構剖視圖，可以看到在外圍結構中設置了很多不同功用的區域。

打開天空的窗

既然望遠鏡身處圓頂之中，圓頂就不能影響望遠鏡對天體的觀測。由於被觀測的天體有可能出現在天空的任意位置，望遠鏡需要轉到對應方向，圓頂也要保證能夠在相應的位置不存在遮擋。

要實現這一點，最簡單的方式就是採用蚌式、篷布式或者平移式的圓頂（平移式圓頂更多見的是平頂形式）。這種圓頂在打開之後會將望遠鏡完全暴露於外界環境之中，它對於小口徑望遠鏡比較方便，而且開合簡單，甚至於往往採用手動開合的方式，所以經常會被應用在私人天文台，或者像興隆觀測站這樣對外科普用的小型公共天文台上。當然，也有特例的情況，比如國內最大的光學紅外望遠鏡LAMOST，它的主鏡所採用的圓頂就是半球從中間分成兩半，向兩邊平推的平移式圓頂。

圖4. 左圖為平頂式的平移式圓頂（LAMOST首鏡採用的是半球形平移式圓頂）。右圖為非常高級的蚌式圓頂，甚大望遠鏡陣的輔助望遠鏡（AT），像貝殼一樣像兩邊打開收起。

但對於大口徑望遠鏡，採用這種開合方式就不再實際，一方面由於望遠鏡大了，圓頂也會很大，整個圓頂的完全開合對於驅動電機來説是個極大的挑戰，同時佔地面積也會增加，非常不經濟。另一方面，當出現氣象突變的情況時，這種開合方式比較慢，不足以應對突發情況。而且，這樣的圓頂也難以對圓頂內部的環境進行控制，所以大口徑望遠鏡通常採用的是開窗半球形圓頂。

這裏所説的窗，就是為望遠鏡能夠透過圓頂看到天空所設置的方向可變化的窗。為了實現這一目的，圓頂要能夠隨着望遠鏡一起轉。這種轉動包括東南西北這樣方向的變化，也包括從水平面到天頂（觀測者頭頂正上方）不同高度角的變化。只要圓頂的天窗能夠實現方向和高度的連續變化，而且速度能夠跟上天體的運動速度，那麼這個圓頂就可以滿足觀測要求。

一般來説，這樣的圓頂是通過整個圓頂在混凝土基座上的軌道旋轉來實現方向性的要求的，而高度上則是通過將天窗開成一個足夠長的狹縫，來保證當望遠鏡指向這個狹縫後，不會在各個高度產生遮擋而實現的。比如圖5中，圓頂中的歐洲甚大望遠鏡（VLT）兩扇滑動門打開後產生狹縫，望遠鏡可以在不同高度進行觀測，同時基座上方的圓頂會與望遠鏡聯動，實現方向上的調節。

圖5. 歐洲甚大望遠鏡及其圓頂。左圖為望遠鏡圓頂外部，右圖為圓頂內部，可以看到圓頂的狹縫天窗與望遠鏡的關係，右側圖中還可以清楚看到擋在望遠鏡前下方圓頂上的可調節風擋（wind screen）。

會呼吸的“金鐘罩”

對於光學紅外望遠鏡而言，空氣所產生的湍流現象不光會使星光產生畸變，同時還有可能在經過望遠鏡鏡面時使鏡面產生震動，這都會使望遠鏡成像質量嚴重下降。我們知道湍流主要是由於温差帶來的。當夜晚來臨，環境温度下降的時候，被日曬了一天的圓頂內部很有可能温度與室外存在温差，因此在圓頂內温度下降到室外温度之前的很長一段時間，都會在狹縫天窗附近產生強烈的湍流。

為此，圓頂必須採用多種方式保證圓頂內部環境與夜間觀測時環境一致。這些方式就包括了比較明顯的，比如圓頂外面所塗的漆的顏色，圓頂內部即使在白天也能讓人凍的瑟瑟發抖的較低的温度；不那麼明顯的，比如圓頂覆皮內的絕熱材料、圓頂內部濕度的控制等等。但即使對圓頂內部温度進行了控制，往往還是會出現湍流，這時就需要對氣流進行控制，這也就是為什麼在大部分較新的望遠鏡圓頂上，我們除了會看到狹縫天窗，還會看到其他窗户的原因。通過控制這些不同位置的窗户的開合程度，就能在一定程度上減弱通過望遠鏡鏡面間氣流的湍流程度，改善望遠鏡的成像質量。

圖6. 下一代三十米級望遠鏡TMT。除了中間的圓形狹縫天窗是用於觀測的，圓頂上所有其他的窗户均用於調控圓頂內部氣流。

如何設計望遠鏡的圓頂是一門學問，尤其是當望遠鏡越建越大，圓頂也會變得又大又重，如何實現其有效可靠地開合、旋轉、控制，還要能夠配合望遠鏡實現優質觀測，需要倚賴各個學科成熟可靠的先進技術。隨着我國擬建的中大口徑望遠鏡項目越來越多，可以期待將會有越來越多的人才加入到項目合作當中來。