来源:下一条笑话如何建造一面大型光学望远镜
[ 录入者:champagnecat | 时间: 19:55:38 | 作者:京晶 译 | 来源:
| 浏览:1862次 ]
原文标题：
作者：Robert Zimmerman && 原文来自：&&&& Posted： 2014年3月刊
编译：京晶&& 审校：Linq （编译版权所有，未经许可请勿转载）
巨型麦哲伦望远镜的 想象图（图片来源：GIANT MAGELLAN TELESCOPE/GMTO CORPORATION）
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。
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。
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
1.44米(对角线的 长度)
主镜有效口径
工程开工日期
投入使用日期
工程耗资（预估）
目前已筹资金
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）
责任编辑：
鼠标滚轮缩放图片大航海时代故事：威尼斯与第一面玻璃镜子
&&& 很早很早以前，世界上没有镜子，谁想知道自己长什么模样，只有到河边对着水面看。虽然文学家往往用&水平如镜&来形容水的倒影，其实你只要去河边照一照就会发现，影子是那么昏暗，模糊，风一吹，水面皱了，连昏暗的影子也没了。
&&& 再后来，人们发明了青铜镜，这要归功于我们华人的祖先；最早的青铜镜在河南的殷墟出土，据今有3200多年历史。青铜镜由中国传到日本，距今也有1800多年了。
&&&&&&&&&&&&&& (下图为保存较好的西汉青铜镜）
&&& 古人有&以铜为镜，可以正衣冠，以古为镜，可以见兴替，以人为镜，可以知得失&的名句。句中指的&镜&就是青铜镜。当然，青铜镜照出来的人影呈昏黄色，不可能很清晰。《木兰词》中&当窗理云鬓，对镜帖花黄&就是最妥切的形容。青铜是铜锡合金，长着一副微黄偏黑的面孔，是人类使用时间最长的金属之一。
&&& 第一面玻璃镜子，是在威尼斯诞生的。据今已经300多年了。那时候，人类已经基本完成了地理大发现，属于大航海时代的末期。
&&& 威尼斯的镜子轰动了欧洲，成为一种非常时髦的东西，王公贵族，阔佬富商，都以拥有一面威尼斯的镜子为荣。镜子顿时身价百倍。一个法国的皇后结婚，威尼斯送的礼物，就是一面小小的镜子。现在看来非常搞笑，当时却是最昂贵的东西&&价值十五万法郎。
&&& 那时候的镜子是这样制成的：在一块玻璃上放一张锡箔，上面浇上水银。水银能溶解锡。形成&锡汞齐&，紧紧的粘附在玻璃上。成为一面镜子。把整块玻璃都涂上均匀的一层锡汞齐，要花整整一个月时间，制造起来真够麻烦的。
&&& 根据威尼斯政府的命令，所有的玻璃工厂都要搬到姆拉诺孤岛上去，外国人不准到那里去。制镜业兴旺时期，这个岛上有40个大工厂，有几千工人在这些工厂里做工。仅一个法国，每年就要200箱镜子。这里制造的不只是镜子，玻璃制造的各种各样珍贵器皿，都是名闻全球的。威尼斯酒杯和花瓶制作的精巧尤其令人惊叹。很难相信所有这些错综复杂的花瓣、叶片和茎干都是用这样脆的材料制成的。姆拉诺岛上的熟练工匠在威尼斯里受到极大的尊敬。玻璃工匠称号的光荣不比贵族称号差。管理这个岛的议会就是由玻璃工匠自己选举出来的。所有威尼斯人都惧怕的警察，却没有权力来管姆拉诺的居民。
&&& 现在看起来好像不是什么很奥妙的工艺，可是在300年前，这可是威尼斯人最大的秘密。谁要是胆敢把制造镜子的秘密泄露给外国人，就要被处死刑。尽管有严酷的法律，威尼斯人倒底还是没有能够保守住他们的秘密。1666年，法国的诺曼底出现了一个镜子工厂，仿照威尼斯的工艺，制造出了法国的镜子。这件事儿要特别提到法国驻威尼斯的大使，他接受了国内的指令，费劲心思收买了几个威尼斯的工匠，偷渡到法国去，使威尼斯人的秘密大白于天下。这段往事，成为工业间谍史上最成功的案例。
&&& 等到威尼斯知道玻璃工匠逃走了，他们已经在法国忙着制造镜子了。威尼斯大使尽力打听他们住在什么地方，却毫无结果。他们躲藏得十分秘密，没法找到他们。威尼斯政府对于本国驻巴黎大使没有能打听出消息很不满意，就任命了一位新的大使&&基斯丁尼亚尼。基斯丁尼亚尼很快就找到了那些逃亡者、并把他们引诱到他那里去。他已经成功说服了几个玻璃工匠回国。
&&& 可是法国人也没有在睡大觉。他们想尽各种办法把威尼斯人留在自己这里。就差一点就要请他们住到王宫里去了。他给他们大笔的钱。满足他们所有的怪诞的欲望，帮助他们受到死刑威胁的家属逃出威尼斯。威尼斯政府要追捕那些&犯罪的玻璃工匠&的妻儿。可是他们也连影都不见了。
&&& 基斯丁尼亚尼尽管答应那些逃跑的威尼斯人，不治他们的罪。还给每人5000杜克脱，可是也不成。工匠们不愿意离开巴黎，他们在法国过得很美好。那些逃亡者已经把那条要处死他们的法律忘得干干净净了。
&&& 1667年1月，在他们到法国以后一年半。一个最好的工匠突然死了。过了3星期，另一个特别擅长吹镜玻璃的工匠又死了。医生断定说，是中毒死的。差不多就在这一时候，威尼斯有两个玻璃工匠试图逃到法国，被逮捕入狱并且处死了。恐怖笼罩着在法国镜子制造厂做工的工匠们，他们开始乞求回国。可是威尼斯也不再需要他们了，他们的全部秘密，法国人已经知道了。再说他们支领的工钱都是很高的。
&&& 在王家制造厂，工作毫不停顿地在顺利进行。在宫殿里凡尔赛、枫丹白露、卢浮。。。。。。都出现了法国制造的镜子。宫廷妇女们在新式的法国镜子面前施粉。她们中间没有一个人会对着镜里的面影想起那些制造镜子而因此死去的威尼斯玻璃工匠。
&&& 水银制造的镜子与我们今天的镜子相比，仍然不够明亮，而且水银有毒，对人的身体有害。后来德国科学家李比希发明了镀银的玻璃镜，就是今天普通中学课本上介绍的&银镜反应&方法，采用还原剂把硝酸银的银离子还原成金属银，沉淀在玻璃壁上，然后在镀银层刷上一层保护漆，一面明亮的镜子就制造出来了。
&&& 银镜反应制造镜子，工艺简单，成本低廉，才把镜子从王公贵族太太小姐的豪华住宅里&请&出来，成为千家万户寻常百姓十分普通的日用品。是科技的发展造福了整个人类！
（根据搜集的资料编写）
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&日暮孤帆&&
&&最后修改于
该日志已被17173游戏专区录用：
请各位遵纪守法并注意语言文明推荐这篇日记的豆列
······