看天文望遠鏡那些匠心獨具的設計

3月16日，據媒體報道，中國計劃于2023年底發射一顆新的X射線天文衛星——愛因斯坦探針，有望捕捉超新星爆發時發出的第一縷光，幫助搜尋和精確定位引力波源，發現宇宙中更遙遠、更暗弱的天體，以及那些轉瞬即逝的神秘天文現象。

據悉，科學家從龍蝦眼睛奇特的聚焦成像原理中受到啟發，設計出一種特殊的新型X射線望遠鏡，同時具有超大觀測視野和更高的探測靈敏度。

也就是説，這種望遠鏡在看得很寬的同時，還可以看到更暗、更遠的宇宙。正是得益於採用了龍蝦眼望遠鏡技術，愛因斯坦探針衛星可以對目前知之甚少的軟X射線波段進行大視場、高靈敏度、快速時域巡天監測。

實際上，像“龍蝦眼”這樣匠心獨具的望遠鏡還有很多，它們或穿梭星宇，或紮根大地，為探索宇宙奧秘貢獻著力量。

郭守敬望遠鏡

光纖配鏡子，魚與熊掌可兼得

在天文望遠鏡的設計領域，始終存在著一個“魚和熊掌無法兼得”的問題，這就是大口徑與大視場的矛盾，簡單地説，就是“看得遠”和“看得廣”無法兼得。

位於河北興隆縣的大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡（LAMOST），又被稱為郭守敬望遠鏡，其最初的研製方案，正是基於解決天文望遠鏡大口徑與大視場之間的矛盾，為中國自主研製大口徑望遠鏡開闢道路。

LAMOST的整體結構是一台施密特反射式望遠鏡，來自宇宙的光線首先被一塊名為MA的平面主鏡反射到一塊叫MB的球面主鏡上，光線被匯聚到MB的焦面，在焦面上迎接這些光線的是4000根光纖，這些光纖會把來自不同方向的光線精準地導入到光譜儀中。正因為有了這4000根光纖，理論上LAMOST可以同時最多觀測4000顆不同的恒星。這樣就相當於獲得了超級大的一個視場。因此，LAMOST並不是像傳統的光學望遠鏡那樣能拍出很漂亮的天體照片，它拍到的是天體的光譜。

此外，主動光學技術是LAMOST最核心的關鍵技術。所謂主動光學，就是主動改變鏡片形狀，克服由於重力、溫度和風力造成的鏡面本身形變對成像帶來的影響，使成像更加清晰。一塊大鏡面做出精確微調是很難的。LAMOST的MA和MB主鏡分別是由24塊和37塊六邊形的小鏡子拼接而成的。研發團隊在每一塊鏡片的後面設計安裝了促動器。這些促動器的作用除了承載鏡面的重量外，更重要的是調整鏡面的形狀。

主動光學技術可以通過電腦的演算法對小鏡片實現千分之一毫米級的實時調整，使小鏡子可以根據觀測需求變形，並使各個小鏡子共焦，上千個力促動器實時控制組成MA的各個小鏡子，以便達到要求的形狀，讓成像更加清晰。

LAMOST創造性地應用多項技術，突破了望遠鏡大口徑與大視場難以兼得的瓶頸，還獲得了一系列觀測成果。2019年3月，LAMOST七年巡天光譜數據正式發佈，裏麵包含了1125萬條光譜，大約是國際上其他巡天項目發佈光譜數之和的2倍。至此，LAMOST成為世界上第一個獲取光譜數突破千萬量級的光譜巡天項目。

HabEx望遠鏡

或將用“花瓣”阻擋恒星光線

HabEx望遠鏡，即宜居係外行星天文臺。據悉，它能夠直接拍攝環繞其他恒星運作的行星。它的觀測目標是從熱木星到超級地球的所有類型行星，但其主要任務是觀測類地係外行星。

換句話講，HabEx望遠鏡將試著探測環繞其他恒星運作的行星上的生命跡象。為了實現這一目標，HabEx望遠鏡需要阻擋恒星光線，這樣才能探測到恒星周圍光線昏暗的行星。

HabEx望遠鏡阻擋恒星光線的第一個方法是安裝日冕儀，這是安裝在望遠鏡內部的一個微小結構，它能夠阻擋恒星的光線，恒星周圍天體的昏暗光線將通過望遠鏡感測器進行成像。該望遠鏡擁有一個特殊可變形鏡面，可以微調和調諧，直至光線微弱的行星進入觀察視野範圍。

HabEx望遠鏡阻擋恒星光線的第二個方法就是使用遮星板，它位於望遠鏡前方，形似花瓣有足球場大小，能阻擋恒星發出的光，但允許行星反射的光照射到望遠鏡的儀器上。

除了觀測類地係外行星這一主要任務之外，HabEx望遠鏡還將用於天體物理學研究，如觀測早期宇宙、研究大品質恒星以超新星方式爆炸前後的化學成分等。

“中國天眼”

擁有“視網膜”和“瞳孔”

談及天文望遠鏡，相信很多人都會想起位於我國貴州黔南喀斯特洼地的那口“大鍋”——500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）。

被譽為“中國天眼”的FAST是目前全球單口徑最大、靈敏度最高的射電天文望遠鏡，這口“大鍋”的設計不同於世界上已有的單口徑射電望遠鏡，主要體現在它的“視網膜”和“瞳孔”上。“視網膜”指反射面，“瞳孔”則指的是饋源艙。

FAST的“視網膜”是由4500塊反射單元組成的主動反射面，索網結構是FAST主動反射面的主要支撐結構，它可以改變自身形態，一會兒變成球面，一會兒變成拋物面。就像水手扯動纜繩能控制風帆的方向一樣，通過拉扯鋼索網可以使這口“大鍋”變向，而整個變向過程則由鐳射定位系統校準。

“視網膜”的設計目標是要把覆蓋30個足球場範圍的信號聚集在一顆小藥丸大小的空間裏，盡可能地監聽宇宙中微弱的射電信號，而負責接收宇宙信號的是放在饋源艙內的饋源——類似一個收集衛星信號的喇叭式裝置。懸空的饋源艙酷似一顆望向宇宙的“瞳孔”，它重達30噸，被6條400多米的鋼索吊起，移動範圍可達200米。鋼索網與饋源艙接收器中每一部分的位移都要控制在毫米級，FAST才能正常工作，“看清”宇宙奧秘。

自2020年1月11日通過國家驗收以來，FAST在中性氫譜線測量星際磁場、快速射電暴、脈衝星搜索等天文前沿領域取得一系列重要科學成果。

詹姆斯·韋布太空望遠鏡

“蜂巢”巨鏡“照”出宇宙奧秘

2021年12月25日，詹姆斯·韋布太空望遠鏡發射升空。作為哈勃太空望遠鏡的繼任者，詹姆斯·韋布太空望遠鏡備受期待，而幾經推遲終於升空的它，也不負眾望地獲得了許多突破性成果，讓人們能夠看清更遙遠的宇宙深空。這些成果都得益於一個蜂巢造型的“大鏡子”。

主要在紅外波段觀測的詹姆斯·韋布太空望遠鏡由光學和科學儀器、遮陽板以及被稱為“航太器總線”的支援系統等部分組成，總重量6.2噸。

詹姆斯·韋布太空望遠鏡的光學模組採用“三反射鏡消像散系統”：被主鏡捕捉的紅外線要經過次鏡和三級鏡反射，再由精細轉向鏡傳遞至科學儀器模組。直徑達6.5米的巨大主鏡成為詹姆斯·韋布太空望遠鏡外形最亮眼之處，它由18塊六邊形鏡片拼接而成，採集光線面積達到其“前任”哈勃太空望遠鏡的5倍以上。次鏡由3個從主鏡正面延伸出來的長臂支撐，三級鏡和精細轉向鏡被安置在主鏡中心凸起的黑色“鼻錐”內。

為使敏感的紅外信號免受太空輻射干擾，詹姆斯·韋布太空望遠鏡需在約零下220攝氏度的低溫環境中工作。它的主鏡、次鏡和三級鏡鏡片的製造材料均選用金屬鈹。這種金屬密度低，硬度相對較高，低溫下不易收縮變形。鏡片表面噴塗了一層厚度僅100奈米的黃金，其目的是優化鏡面反射紅外線性能。

整合科學儀器模組位於主鏡背面，包含近紅外相機、近紅外光譜儀、近紅外成像儀和無縫隙光譜儀、中紅外儀等設備，它們將對詹姆斯·韋布太空望遠鏡收集到的光線進行分析成像。

風箏形狀的巨幅遮陽板位於主鏡下方，為詹姆斯·韋布太空望遠鏡抵擋來自太陽、地球和月球的輻射。遮陽板面積接近網球場大小，設計成5層薄膜結構，材質為鍍鋁聚酰亞胺，距離太陽最近的外層厚度為0.050毫米，其他層厚度0.025毫米。遮陽板將望遠鏡分隔成分別朝向深空和朝向太陽的冷熱兩側，其溫差極限超過300攝氏度。

發佈首批深空全彩成像、首次直接拍攝到係外行星、探測到迄今最遙遠的星系、穿過層層塵埃探測星系內部情況……自發射升空以來，詹姆斯·韋布太空望遠鏡帶給了人們太多驚喜，如今它還繼續漂泊在太空中，不斷探索宇宙形成之初的奧秘。