如何建造一面大型光学望远镜

巨型麦哲伦望远镜的想象图（图片来源：GIANT MAGELLAN TELESCOPE/GMTO CORPORATION）

2012年10月23日，下一代大型光学望远镜迎着大功告成的曙光迈出了重要的一步。这一天，美国亚利桑那大学Steward天文台的镜面实验室对外宣布说，巨型麦哲伦望远镜（简称GMT，将被建在智利境内的Las Campanas山区）第一面镜子已经磨制完成。

作为最大地面光学望远镜的有力竞争者，GMT将7面8.4米口径的子镜拼接在一起，构成一个花朵形状的主镜。按如此方式拼合而成的主镜，其分辨率与一面24.5米口径的单镜的分辨率旗鼓相当。GMT的副镜将沿用主镜的构建方法——由7面3.25米口径的子镜组合而成。这些拼合在一起的子镜在实际观测过程中还可以弯曲自如，以抵消大气扰动带来的影响（自适应光学技术）。这个庞然大物使当前8至10米口径的地面光学望远镜相形见绌。如果GMT比30米望远镜（由美国、加拿大、日本、中国、巴西、印度等国参与建造）和39米口径的欧洲特大望远镜更早建成并投入使用，它将暂时领先，成为世界上最大的地面光学望远镜。

GMT不仅在聚光能力上独占鳌头，它的高灵敏度和高分辨率也完胜哈勃空间望远镜——其拍摄的深空照片将比后者锐利10倍。借助如此给力的望远镜，天文学家们便能探究第一代星系的形成，深入挖掘暗物质和暗能量的隐秘。科学家们还期望GMT帮助我们寻找小质量地外行星，甚至首次直接抓拍到那些正在适宜生命生存的轨道范围内围绕恒星公转的“湿润和温暖”的地外行星。

虽然，从技术上讲，制造和拼合子镜要比制造一面巨大的单镜容易，但“化零为整”的设计方案同样也面临着自身技术上的挑战。由7面子镜拼接而成的主镜，其镜面呈抛物线型。然而，靠近外侧的子镜的镜面却不能是抛物面。它们的形状需要略微偏向于马鞍形，才能与抛物型主镜的外侧曲线吻合。

实验室宣布完工的镜子正是用于主镜外侧区域的子镜。同时，它也是第一面此类型的镜子。镜面实验室专家Martin Buddy告诉我们，制造这么大一面不对称的镜子可是个前所未有的尝试。不过，这副镜子的制作完成也表明了这个尝试是可行的。

获得如此成就绝非易事，它展示了天文工程的最高技术。

旋转铸造的镜子

打造一面8.4米口径的单镜可不是什么简单的工程。事实上，镜面实验室是世界上唯一一个能完成如此大工程的地方。尽管技术要求很高，但令人吃惊的是，部分工作仍靠手动完成。不仅如此，如今的镜面制造法仍沿用几十年前由实验室奠基人和科学部主任Roger Angel首创的老方法。Angel设计了一种“旋转铸造”的镜面加工法：通过旋转使玻璃液面呈抛物线型。这个方法节省了不少打磨曲面所需的时间和精力。

“我们之所以沿用20年前的老方法，是因为再没有比这更好的方法了。”Angel解释说。“我相信，如果外星人也用望远镜对着我们看的话，它们制造望远镜的方法与我们的方法将大同小异。”

制造镜子的主要材料是玻璃。望远镜专用的玻璃要比制造日常厨具（比如说Pyrex牌玻璃厨具）所用的玻璃高一个等级。这种高性能玻璃被称为E6，是一种低膨胀率的硼硅玻璃。由于其热膨胀系数低，精心打磨好的镜面不会轻易受外界温度变化的影响而发生形变。除此以外，它的熔点也低，在1164摄氏度就能熔化。“其实，还有其它热学特性更好的玻璃材料，可它们的熔点都太高了。”Angel说。

E6玻璃原料由日本提供，封装在泥罐中，每罐装一吨。要取出罐子里的玻璃，我们先要把罐子打破。当然，玻璃原料也随之碎裂成块（碎块仅比垒球大一点）。为确保玻璃原料的纯度（不曾接触其它化学物质）和无缝熔合，凡与罐子内壁接触过的玻璃碎块都要被丢掉，不能采用。铸造一面8.4米口径的镜子共需16000块玻璃碎块，总计约19.2吨重。

技术人员小心翼翼地把玻璃碎块放入瓷制模具中（模子的制作大部分也靠手工完成）。然后，装满玻璃原料的模子被封闭在一个熔炉中加热，直到炉内温度升至1165摄氏度。玻璃原料受热熔化，流过1681个六棱柱模子，最终生成内部呈蜂窝状结构的镜面。不要小看这些蜂窝状结构，它们可以在保持镜子硬度不变的前提下，将镜子自身的重量减少80%。在玻璃碎块熔化并流过蜂窝状模子的同时，熔炉连同模具一起以每分钟5圈的速度旋转，初步把玻璃液面塑成抛物面。
 

蜂窝状模子： 技术人员正在亲手把1681个六棱柱模子安装到镜面铸造模具中去。熔化的玻璃液流过这些柱子间的缝隙（不是流入柱子内），形成蜂窝状结构。这样的构造有助 于镜面内部的空气流通，在保持镜子硬度不变的同时，减轻镜子自身的重量。（图片来源：PAY BERTRAM/STEWARD OBSERVATORY MIRROR LAB/UNIVERSITY OF ARIZONA）

熔炉和模子就这样共同旋转，一直到玻璃液迅速冷却到650摄氏度。此时，玻璃基本上已经凝固。为避免玻璃体破裂，后续的降温过程要倍加小心；因此，在接下去的三个月里，熔炉还将继续为玻璃供热，以减缓其降温的速度。
 

旋转铸造法  图1为两个六棱柱模子。 左边的模子沿纵向被剖开，以便我们了解其内部构造，以及它是如何被固定在模具底座上的。玻璃原料熔化后，不是流入这些六棱柱内，而是渗入柱子间的缝隙，并 在那里冷却凝固。图2：技术人员把19.2吨玻璃碎块平铺在瓷质模具的顶部。图3：经过一天的辛苦工作，大家在劳动成果——等待铸造的玻璃镜面——前拍照 留念。图4：熔炉盖子正在被放下，以便把模具封装在炉中。炉子需要花费约一周的时间才能把玻璃加热到1165摄氏度。图5：熔炉和模子共同以每分钟五圈的 速度旋转。这样的转速可使镜面初步呈现为抛物面。（图片来源：图1：ROBERT ZIMMERMAN; 图2至图4：R. BERTRAM/STEWARD OBS. MIRROR LAB/UNIV. OF ARIZ. 图5：PART MACCARTHY）

待玻璃温度降到室温，技术人员便将熔炉吊起，移走蜂窝状模具的顶盖、四壁和底座，并用高压水枪把六棱柱模子从玻璃镜面中冲刷出来。至此，镜面的铸造工作告一段落。新铸好的镜面将进入下一道工序——打磨。

打磨镜面

其实，GMT的首面镜子早在2005年就用上述的旋转铸造法制造完成了。可是，打磨不对称镜面的工作却持续了七年之久。这是因为，在打磨镜面前，镜面实验室先要设计并制作一套新装置，用于测量镜面5纳米左右的微小瑕疵。

镜面实验室的光学专家们对曾经困扰哈勃空间望远镜的球面像差有着深切体会。那个球面像差就是由于在磨制镜面时出了错所导致的。“哈勃碰到的种种磨制误差，我们肯定也会遇到，”Martin解释说。“所以，对打磨好的镜面，我们绝不能只测试一次就完事了”。

由此缘故，在打磨镜面过程中，专家通常会进行至少两次独立的误差测量，以检查镜面形状是否符合要求，力求避免再犯类似哈勃镜面那样的错误。鉴于GMT的镜面形状比较特殊，专家们决定对打磨的镜面进行四次测试。从某种程度上来说，每次测试采用的技术都不尽相同。

举例来说，所有望远镜的镜面磨制都会用零像差校正器来进行修正。在这项测试中，工程师们先把一束激光打到镜面上。之后，他们将镜面的反射波的波阵面与一个理想镜面产生的反射波波阵面作比较；二者之间的差异会告诉工程师镜面需要打磨的地方在哪里。然而，GMT所需的零像差校正器比过去使用过的校正器大了整整十倍。不仅如此，GMT的镜面形状还很不对称。为此，实验室需要预先制作一面3.75米口径的镜子。这本身就是个不小的工程。除此之外，他们还要建一座28米高的测试塔，专门用于安置此镜及其它测试仪器。

为了防范在第一项测试中漏网的误差，工作人员还设计了第二项测试——五棱镜扫描。该测试用到仪器也被放置在测试塔的上部。在此项测试中，激光束首先通过一个五棱镜，再扫描待测镜面。透过棱镜的激光束模拟了恒星的星光——平行光束——照射镜面产生的效果。若镜面弧度精准无误，无论光束从哪个方向照过来，镜面反射光都将聚焦到同一点上。在焦点所在之处，工作人员还放置了相机进行拍照。照片里出现的任何一处散焦都对应着一个打磨误差。

第三项测试同样也在塔中进行，只不过，工作人员这次需要另外搭建一套激光系统。这一次，激光束是靠追踪横扫镜面的小反光镜的位置来测量镜面误差的。小反光镜由彼此垂直摆放的三面镜子组成（就像立方体的一个角那样排布），能把激光束反射回其发射点。如此一来，激光追踪就能够直接测量镜面的形状了。

在最后一项测试中，工作人员先把一束简单光线投射到镜面上，再把获得的反射图像和参考图像比较。
 

镜面打磨：一位工程师正在大型镜面打磨仪前监控着首面GMT镜子的打磨工作。在整个打磨过程中，工作人员需要进行多项光学测试，以确保磨制出符合要求的镜面。

对神秘错误追查到底

GMT首面镜子的打磨工作并不像预想的那么顺利。前两个测试装置——零像差校正器和五棱镜扫描——都是用来找类似球面像差这样的光学瑕疵的。可令科学家懊恼的是，这两项测试结果竟然不一致。这说明至少有一项测试出了问题，也可能瑕疵比专家们预想的要多得多。

“我们把可能出现的错误都排查了一遍，”Martin说。“并且，误差叠加的情形，我们一次也没遇见过。”

经过几个月的测试和试验，他们终于找出了症结所在：五棱镜扫描测试存在一个小小的错误。测试中用来拍照的相机并不是普通相机——它使用了一组微透镜，每一个透镜都对应着相机感光器上的一个像素。工作人员完全没有想到，这些小透镜使五棱镜的焦点偏移了那么一点点，而且这极小的偏移量还和光线的入射方向有关。通过一个微型光学测试，工作人员发现这个偏移效果看上去很难与球面像差区分开。

纠正了这个偏焦效果之后，两项测试的结果终于吻合得比较好了。现在，科学家们知道镜面的球面像差已被修正得差不多了，残余的微小像差可以交给调控镜面整体形状的165个主动光学支撑系统去改正。这些支撑系统会根据望远镜内的传感器所提供的反馈信息，主动调节镜面形状。与所有巨型镜面一样，GMT的镜面也会在自己庞大身躯的重压下发生形变。

“有了这类主动修正系统，”Martin说，“GMT首面镜子的形状堪称完美，典型的镜面形状误差仅为19纳米。”

展望GMT的未来

随着首面镜子的完工，工作人员依照计划将在接下去的十年时间里磨制其余的镜子。在2012年1月和2013年8月，又有两面离轴镜子铸造完成。这两面镜子的打磨工作将分别于2015年和2016年展开。
 

镜面实验室留影：Buddy Martin与大型综合巡天望远镜的复合镜面（由主镜和三镜构成）的合影。这块镜面当时位于测试塔的底部（塔约9层楼高）。塔里放置有四台测试镜面形状的光学仪器。（图片来源：ROBERT ZIMMERMAN）

由于镜面实验室还需遵照其它合约，为另两个望远镜制作镜面（其中包括智利的大型综合巡天望远镜）。这导致GMT目前的工程进度落后于原计划。一旦实验室完成合同既定的任务，它会迅速全力投入到制作剩余GMT镜面的工作中来。在2017年之前，实验室预计每12至14个月完成一面镜子的制造。

当然，保持这个进度的前提条件是GMT合作团组有充足的经费来支付建造望远镜的开销。GMT团队成员目前包括卡内基科学研究所（Carnegie Institution for Science），史密松研究所（Smithsonian Institution）和八所分别来自美国、澳大利亚和韩国的大学和研究所。建造GMT，总计要投入8亿美元。截至目前为止，成员们筹集到的资金已超过预估费用的一半。

而且，随着首面镜子的成功完成，团队成员的数目也在增加。2014年1月，专家们对GMT的设计方案进行最后一次审查。望远镜其它设施的建设也将在同一年晚些时候全面展开。

目前铸成的三面镜子都将被安装在GMT的外侧区域。镜面实验室随后将开始铸造、打磨位于GMT中心区域的镜面。按照工程进度，GMT在2020年将首先安装这四面镜子，并用它们进行首次观测。如果一切进展顺利，所有七面镜子将于2022年全部加工完成并组装到位。

GMT工程顺利实施的可能性很大。Martin告诉我们，GMT项目的其中一个主题就是把已知的技术和经验——比如说如何制作8米口径的望远镜——推广、应用到规模更大的工程中去。

壮观的大型地面天文仪器即将在下一个十年问世，敬请期待。

 

望远镜	GMT	TMT	E-ELT
建造地点	智利，Las Campanas	美国，夏威夷，莫纳克亚	智利，Cerro Armazones
构成主镜的子镜	7面圆形子镜	492面六边形子镜	798面六边形子镜
子镜口径	8.4米	1.44米(对角线的长度)	1.44米
主镜有效口径	24.5米	30米	39.3米
工程开工日期	2014年4月	2014年4月	2014年3月
投入使用日期	2020年*	2022年	2024年
工程耗资（预估）	8亿美元	12亿美元	15亿美元
目前已筹资金	超过半数	近80%	约三分之二

* GMT将于2020年首先使用七面子镜中的四面进行观测。剩余子镜的安装工作预计在2022年全部完成。

巨大的望远镜们来了：巨型 麦哲伦望远镜（GMT）只是未来十年里计划建造的巨大望远镜中的一个。30米望远镜（TMT）和欧洲特大望远镜（E-ELT）将与GMT竞争世界最大望远 镜的头衔。上表列出了这三个庞然大物的一些设计参数、当前进度和完工时间。（图片来源：GMT：GIANT MAGELLAN TELESCOPE/GMTO CORPORATION；TMT：TMT OBSERVATORY CORPORATION/E-ELT：ESO/LUIS CALCADA)

巨型麦哲伦望远镜的想象图（图片来源：GIANT MAGELLAN TELESCOPE/GMTO CORPORATION）