地面上的望遠鏡，比太空裏的哈勃還強？_風聞

它的觀測能力預計將是哈勃望遠鏡的十倍，可能會改變我們對宇宙的認知。

3 月中旬，巨型麥哲倫望遠鏡宣佈已經完成了第六塊鏡子的熔鑄。這個曾經因工程量巨大而引起擔憂的巨型地面工程，在建成的路上再次邁出重要一步，讓人更加期待它投入使用的那一天。

巨型麥哲倫望遠鏡（Giant Madellan Telescope），簡稱 GMT，屬於地基極端巨大望遠鏡，位於智利的拉斯卡姆帕納斯天文台。作為一個全球性的科學項目，參與方包括美國、巴西、韓國、澳大利亞等，自 2015 年開始動工以來一直備受關注，目前耗資已經達 10 億美元。

據該項目的相關人員介紹，投入使用後，GMT 捕捉到的圖像將比哈勃太空望遠鏡清晰 10 倍，同時會比人們期待已久的詹姆斯韋伯太空望遠鏡清晰 4 倍。

哈勃望遠鏡遠在外太空，已經服役 30 年，不斷為人類傳送回許多讓人歎為觀止的遙遠恆星和星系的圖像，如今快要退休的它，一度被認為是最強的空間望遠鏡，而 NASA 耗資 100 億美元的「詹姆斯韋伯太空望遠鏡」則被認為是比哈勃更強的接班人。

巨型麥哲倫望遠鏡比這兩位太空望遠鏡還強是什麼概念？

意味着從地面上看星星，將比在宇宙飛船上看星星還要清晰。

從地面到太空

作為人們與未知星空的連接橋樑，望遠鏡的功能從誕生之初，就是幫助天文學家觀測未知的宇宙，要看的遠，還要看的清晰。

1609 年，伽利略製作了一架口徑 4.2 釐米的望遠鏡，觀測到了凹凸不平的月球表面。這是世界上第一台天文望遠鏡，開闢了天文學的新時代，在今後的發展過程中，天文望遠鏡按照不同波長和不同的設計和運作方式，可分為：射電望遠鏡、紅外線望遠鏡、光學望遠鏡等。

射電望遠鏡比如中國天眼，接收的是肉眼不可見的的射電波段，而光學望遠鏡比如 GMT 和哈勃，則是接收可見光波段，形成具體的可視圖像。值得一提的是，哈勃望遠鏡在接收可見光的同時，還能觀測到部分的紅外和紫外光線。因為捕獲的光的波長的範圍與人眼相近，更接近人眼觀察特點，我們目前看到的絢麗多彩的宇宙圖像，大部分都來自光學望遠鏡。

2020 年哈勃太空望遠鏡拍攝的行星狀星雲圖像｜視覺中國

但想要看到更清晰的宇宙，從地面觀察受限太多：地面和太空之間存在着一道天然屏障——大氣層，這是光學望遠鏡自誕生以來就一直面臨的問題，

初中地理知識：大氣層會吸收並且反射絕大多數來自太空中的紫外線、紅外線等各種電磁輻射，只有可見光，少數紅外線和射電波可以穿過大氣層到達地球表面。加上大氣層的流動循環，人們只能不斷選擇在更高的海拔，找尋更稀薄的雲層，利用更好的觀測條件來建造天文台。

1946 年，在望遠鏡出現的 300 年後，美國天文學家萊曼斯必策提出「如果人類能夠把天文望遠鏡放在太空中，那麼人類就有了一雙更厲害的眼睛，能夠看的更遠」。隨後，航天技術的進一步發展，這一設想最終變成現實，人類開始將望遠鏡送入太空。

在隨後的幾十年中，哈勃太空望遠鏡問世，由於資金等問題，口徑從最初的預計的 3 米縮短至了 2.4 米，發射時間也不斷推遲。1990 年，發現號航天飛機最終將哈勃望遠鏡送上了太空，帶着探測宇宙深空，解開宇宙起源之謎的任務，哈勃在近地軌道一直運行至今。

位於地球上空約 583 公里的哈勃太空望遠鏡｜視覺中國

太空望遠鏡是一座人類天文史上的里程碑，這相當於將眼睛直接放到太空，打開了全新的宇宙窗口，成功彌補了地面觀測的不足。目前哈勃的超深空現場則是天文學家目前所能獲得的最敏鋭和深入的光學影像，是可見光影像中宇宙的最深處。而目前最有可能成為老兵哈勃的繼任者的詹姆斯韋伯望遠鏡的主鏡口徑為 6.5 米，是哈勃望遠鏡的 2.7 倍以上，聚集能力是哈勃的 6 倍，理論上，韋伯望遠鏡甚至可以目睹宇宙的第一縷光芒。

耗資巨大，被認為是天文學未來的太空望遠鏡，如今要被地面工程趕超了？

地面上的巨人家族

GMT 為什麼這麼強？因為它夠大。

對於光學望遠鏡而言，想要看到更遠更暗的地方，就需要更強的集光能力，也就是更大口徑的鏡子。但太空望遠鏡的高成本、運輸承載能力等技術限制，更大口徑的光學望遠鏡目前只能建在地面。

從 20 世紀 80 年代開始，國際上掀起了製造新一代大型望遠鏡熱潮，地基望遠鏡中的巨人家族計劃問世。極大望遠鏡計劃，指的是天文台使用的直徑大於 20 米的望遠鏡。包括在建中的 39 米口徑的歐洲極大望遠鏡（E-ELT）和位於夏威夷的 30 米口徑望遠鏡（TMT）等。

作為巨人家族其中一員，巨型麥哲倫只能排老三。

GMT 包含七個直徑 8.4 米的主鏡，一片中央主鏡片，6 片離軸鏡片，像花朵一樣的排列方式，6 個環繞在四周的鏡片能夠觀察到中心鏡片不能觀察到的任何角度的光線。因此，這種設計令這台望遠鏡將形成 24.5 米直徑的集光區域，這樣的集光能力足以在近 160 公里（100 英里）外看到刻在硬幣上的火炬。而如今地面上最大的光學望遠鏡是凱克 10 米級望遠鏡，可以從 10 公里外讀出報紙上的標題文字。

麥哲倫巨型望遠鏡片排列方式效果圖｜GMT 官網

如此大的鏡片，製造時間相當漫長，剛鑄造完成的第六面鏡子，站在邊緣時約有兩層樓高，為 GMT 進行鏡子製作的是亞利桑那大學鏡頭實驗室——世界上最大的望遠鏡鏡頭製造領軍者。純手工製作的每一面鏡子，都需要 20 噸硼硅鹽酸玻璃來鑄造，耗費將近三個月的時間鑄造完成後，還需要大約 6 個月的時間來冷卻。隨後需要經歷耗時兩年的拋光過程，彎曲成一個精確的形狀。最終使得每一面鏡子的表面光學精度小於人類頭髮寬度的千分之一，新冠病毒顆粒的 5 分之一。

其實從 17 世紀開始，人們一直在追求更大的口徑。

但傳統方法下的大口徑受到當時的技術限制，製作出的鏡片十分厚重，為了維持表面形狀，避免自重過大等原因帶來的變形，口徑也相應受到限制。

80 年代後，更輕薄的鏡面製作、分割鏡面以及主動光學技術出現。薄鏡面主動光學就是用一個動態支撐系統來進行控制主鏡形狀，通過改變主鏡形狀來補償由於外界力量，像風、重力等帶來的扭曲，從而維持最佳成像狀態。從此，光學望遠鏡有了向更大口徑前進的條件。

躲過了口徑上的限制，是所有地面望遠鏡都會遇到的問題——大氣。同樣的，口徑越大，集光過程中受大氣湍流的影響也就越大，眼前的「霧霾」會更重。對此，自適應光學系統的出現則相當於給望遠鏡戴上了一副矯正「眼鏡」。自適應光學是一種智能的精密儀器，系統中的波前傳感器可用於檢測光波的失真，然後再對圖像實時計算和校準，鏡片的厚度可以自動變形，用來應對地面望遠鏡遇到的大氣湍流問題。

巨型麥哲倫望遠鏡其中一面鏡子正在製作中｜GMT 官網

極大望遠鏡計劃中的這些「巨人」全都採用分割式鏡片來組成主鏡，配備更強的自適應光學系統，用來減少由於大氣層干擾引起的圖像失真，捕捉到比目前更清晰的星體圖像。         

目前 39 米口徑的歐洲極大望遠鏡和位於夏威夷的 30 米望遠鏡都正在建造中，因為工程量巨大，加上新冠疫情的影響，預計完工時間在不斷推遲。雖然排行老三，但作為巨人家族中第一台開始施工，也是完成進度最高的超大型地面望遠鏡，巨型麥哲倫如果按計劃順利投入使用，將成為世界上最大的光學望遠鏡。

仰望星空

距離人類第一台望遠鏡發明至今，已經有 400 多年。

在漫長的發展過程中，從單片發展到多片，從地面觀測發展到上天巡視，從最初只有 4.2 釐米，到如今"世界上最大的天文望遠鏡"的稱號數易其主。不僅是利用人眼可見的可見光進行觀測，現代望遠鏡同時利用了射電波和×射線來探測宇宙的奧秘，但不論是地面望遠鏡還是太空望遠鏡，射電望遠鏡還是光學望遠鏡等等，它們最終的目標都是浩瀚的宇宙。

告別過去人們只能用肉眼進行天文觀測，望遠鏡成了人類探索宇宙最有效的電子「眼睛」。

太空望遠鏡曾經一度打破了人類對宇宙的認知，那些夜空中人眼無法觀測到的灰暗部分，被拍攝成清晰的圖片傳回地球，引來一片驚呼，但是這還遠遠不夠。

3 月 7 日，NASA 對外官宣稱哈勃望遠鏡在再一次進入了安全模式。外界一直好奇哈勃究竟還能正常運行多久，可以肯定的是已經超額完成任務的它離退休不遠了。與此同時，詹姆斯韋伯望遠鏡迎來好消息：已經完成了最終的功能測試，預計將在今年 10 月份發射。這個 NASA 和歐空局最初預算 5 億，最終完工耗資將近 100 億美元的太空望遠鏡項目，儘管發射時間一再推遲，但它將會幫助我們洞察宇宙的過去：從大爆炸之後的第一縷光，到銀河系的形成和演變。

巨型麥哲倫望遠鏡渲染圖｜GMT 官網

而目前預計 2029 年投入使用的 GMT 也將會透過朦朧的大氣層，在加速膨脹的茫茫宇宙中，擔負探尋宇宙中恆星和行星系的生成、黑洞和暗物質的奧秘，以及銀河系的起源等重任。

當第一批地基極大望遠鏡投入使用，將會是人類探索宇宙進程中的一次巨大飛躍。人們可以從地面出發，看清更多外太空的奧秘。

我們是宇宙中唯一的智慧生物嗎？最初的星系是怎麼形成的？宇宙最終將走向何方？不知道第一個仰望星空的人類，心中是否也帶着這樣的疑惑。

探索外太空奧秘的腳步，從地面到太空，從試圖登天的萬户，到如今好奇號登上火星，太空酒店概念誕生，下一步將會是如何，沒有人有確切的答案。但可以肯定的是，不斷發展的人類文明，將會探測到龐大神秘的宇宙中更多的色彩。

圖片來源：視覺中國、GMT 官網｜責任編輯：靖宇

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