天文学的未来:麦哲伦巨型望远镜(25米级)

纵观整个历史,有四件事能决定我们能通过天文学了解到多少关于宇宙的信息:

一、望远镜的大小,决定了指定时间内可以聚集的光量和分辨率。

二、光学系统和相机/电荷耦合器件的质量,决定了可用数据的光量程度。(电荷耦合器件是一种用于探测光的硅片)

三、使用望远镜观测,大气可能会扭曲“视线”,但如果观测环境为高海拔、无风、无云的晚上,结合自适应光学技术,可以使大气扭曲影响降到最低。

四、数据分析技术,可以充分分析通过的每个光子。

过去的25年里,通过改进标准2到4,地面天文学有了显著的发展。1990年,凯克10米级望远镜时世界上最大的望远镜,虽然现在有很多8到10米级望远镜,但10米级仍然是现存最高标准。(10米望远镜可以在250公里之外分辨人的两只眼睛,或在10公里外读出报纸上的标题文字。)

凯克望远镜

在不增加孔径的情况下,这些领域所做出的改进已经是极限。这并不是为了减少其他领域的收益,虽然现在的收益很可观,更重要的是了解我们已经走了多远。望远镜上的电荷耦合器件既能聚焦大视场也能聚焦窄区域,收集视场中特定波段的所有光子,然后进行光谱分析,一次最多可处理数百个,将光分解成各自波长。我们可以利用所有通过望远镜反射镜射入的光子,必要的话,研究时间可以加长,从而对宇宙有更深的了解。

此外,在克服大气层影响的问题上,我们已经取得了很大的进展,无需再发射望远镜进入太空。在高海拔且无风的地区建立观测站,如莫纳克亚山山顶或智利安第斯山脉,我们可以去除大气湍流的大部分影响。另外,如果一个已知的信号(比如一颗明亮的恒星,或者由激光从60公里外的大气钠层反射而成的一颗人造恒星)看起来模糊,自适应光学可以帮助我们创建正确的“镜像形状”,从而对图像进行清晰化处理,消除图像的其他所有光线,可以进一步去除大气的湍流效应。

智利安第斯山脉

最后,计算能力和数据分析技术有了很大的提高,我们可以从相同的数据中记录和提取更多有用的信息。这些都是巨大的进步,但我们仍然还在使用和上一代同样大小的望远镜。如果想更深入地了解宇宙、达到高分辨率和高灵敏度,我们就必须要使用更大的孔径,需要一个更大的望远镜。目前有三个望远镜在争夺第一:莫纳克亚山顶上的望远镜(30米级)、智利的欧洲超大望远镜(39米级)和智利的麦哲伦巨型望远镜(25米级)。麦哲伦巨型望远镜将代表地面天文学的下一个巨大飞跃,于去年年底动工,计划在2021年初运行,2025年全面投入使用。

莫纳克亚山公路

技术上不可能制作出这么大的镜子,因为材料会在总重量下变形。可以使用“蜂巢式”镜子,如欧洲极大望远镜中用了798个镜子,但这也有个明显的缺点,即产生大量的图像伪影,伪影有锐利的线条,很难去除。相反,麦哲伦巨型望远镜只用了七个镜子(四个已经完成),这些镜子安装在一起,每个直径8.4米(即28英尺)。镜子是圆形,相互之间就会留有间隙,意味着会失去部分聚光力,但获取的图像要整洁得多,更容易处理,而且没有伪影的干扰。

麦哲伦巨型望远镜

拉斯坎帕纳斯天文台现在有两个6.5米的麦哲伦望远镜,这里海拔约2400米(约8000英尺),天空晴朗,无光污染,是地球上天文观测的最佳场所之一。这里配有世界上最高级望远镜所拥有的设备,尖端照相机/电荷耦合器件、摄谱仪、自适应光学技术、跟踪和计算机技术,扩大25米望远镜的功能,麦哲伦巨型望远镜将给天文学带来巨大变革。

1.) 第一个星系:为了深入了解宇宙,我们需要了解,两倍远的物体只会发出四分之一的光,而且膨胀的宇宙还会导致光线红移,或者使波长变长。大气层只有一些固定的“窗口”通过光线,这一点实际上在某些方面很有帮助,因为大气层可以阻挡来自太阳等恒星的紫外线辐射,而紫外线辐射可以在足够远的距离内红移到光谱的可见光(甚至近红外)部分。在太空中寻找这些星系很简单,但还需要光谱学技术才能够确认,而这点最好在地面上进行。理想情况下,使用詹姆斯韦伯太空望远镜(上周的《天文学的未来》中的文章)和麦哲伦巨型望远镜,可以直接且清晰地测量这些物体的红移和光谱特征,打破现有宇宙已知星系的最远极限,并且以一个前所未有的视角去了解星系的形成和演化。

詹姆斯韦伯太空望远镜

2.) 第一批恒星:更为兴奋的是有机会直接观察和确定宇宙中有史以来形成的第一批恒星的性质。大爆炸之后,宇宙首次形成中性原子,那时没有重元素,只有氢、氘、氦-3、氦-4和锂-7,没有别的。因此,宇宙中形成的第一批恒星也一定是由这些物质构成的,并且银河系的恒星中也没有发现任何重元素。为了找到这些原始恒星——第三星族——必须要依赖高红移。虽然直到今天,我们还没有发现一个符合要求的恒星,但麦哲伦巨型望远镜应该有能力去发现数百个这样的恒星。它不仅能发现,而且:

能够确定恒星内部的相对元素丰度,

能够测量氢、氦、甚至氘和锂的浓度,

能够测量地球上和太空中气体云的吸收光谱,

甚至能够在宇宙重新电离之前,中性气体存在时,就能发现原始恒星。

这同样适用于了解第一批星系,但对于观测第一批恒星来说更令人兴奋,因为我们能够看到宇宙的原始样本,并了解这些最早的恒星能有多大。

3.) 最早的超大质量黑洞:我们偶然发现了大量这样的类星体。通过全天测量,发现了大部分的类星体,如SDSS和2dF。为了确切测量这些类星体,需要获得它们的光谱,而麦哲伦巨型望远镜将是最好的选择。光谱和测光的区别有点像黑白电视和彩色电视,它们都是展示图像,但是有了光谱,细节和信息量可以增加一千倍以上,我们可以通过光谱来了解内里是何情况(有多少),没有光谱的话就只能做推算。麦哲伦巨型望远镜不仅可以提供光谱学,帮助EUCLID和WFIRST望远镜寻找最遥远的类星体,而且帮助我们找到最遥远的类星体(更年轻、更小和更早期的超大质量黑洞),比世界上(和外面)任何东西都遥远。

4.) 莱曼α森林:我们在观察最遥远的类星体和星系时,不仅看到遥远的光,还看到物体和我们之间的居间气体。通过测量吸收特征,我们可以了解宇宙的结构和组成是如何演变的,并得出宇宙的各种成分,而这些成分,比如中微子和暗物质,肉眼无法看见。(莱曼α森林是指在类星体光谱中,位于氢的莱曼α发射线短波侧的密集的吸收线丛。它和分布在该发射线长波侧的稀少的谱线形成鲜明的对照。在所有高红移类星体的光谱中无一例外地均存在莱曼α森林。)

当然,我们也可以用望远镜来“正常”了解天文知识,包括发现行星、了解恒星和星系的演化,测量超新星及其遗迹、行星星云和恒星形成区、星团、星际和星际气体等等。最令人兴奋也许正是未知的事情。没有人能够预测,100英寸胡克望远镜首次投入使用,埃德温哈勃就会发现正在膨胀的宇宙;也没有人能够预测,第一次拍摄照片时,哈勃深空区如何揭开宇宙的奥秘,麦哲伦巨型望远镜在超遥远的宇宙能够发现什么。

超新星遗迹,图源:NASA中文

这就是研究的原因,也是前沿科学。麦哲伦巨型望远镜将在地面上完成天基望远镜无法完成的所有任务,并且比现有的任一望远镜做得更好。与其他大型地面望远镜不同,麦哲伦巨型望远镜完全由私人出资,没有政治争议,并且已经开始动工。任何科学未来——尤其是天文学——都需要雄心壮志,并致力于寻找未知的事物。如果不去主动研究,我们永远学不到超出认知范围的知识,而麦哲伦巨型望远镜是人类寻找未知而迈出的重要一步。

作者: startswithabang

FY: 芷玦

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