南非天文台以小成本建设一架世界最大的望远镜
2014-12-09 14:31:46   来源:化石网   评论:0 点击:

建设世界上最大的望远镜,技术故障是常有之事,最大的问题是如何解决这些故障。 8月30日,南非好望角不负自己的风暴角之名。在海港被巨浪和狂风袭击之前,货船阿塔卡马号在开普敦勉强找到了避难所。暴风雨平息

 

    建设世界上最大的望远镜,技术故障是常有之事,最大的问题是如何解决这些故障。

 

    8月30日,南非好望角不负自己的风暴角之名。在海港被巨浪和狂风袭击之前,货船阿塔卡马号在开普敦勉强找到了避难所。暴风雨平息后,这艘船终于可以安全地卸下货物:一个汽车大小的装备——高分辨率光谱仪(HRS)。

 

    这是一场恰如其分的欢迎。因为HRS的最终目的地是约350公里外的内陆地区,即南非大型望远镜(SALT)的所在地,而SALT早已经受了许多“风暴”。2005年正式竣工的SALT现在刚刚完成了第二年的常规科学操作。

 

    连同射电望远镜平方千米阵列(SKA)一道,SALT是南非努力建立自己的科学声望,以及鼓励新一代非洲科学家等一系列工作的重要组成部分。但是,SALT初期面临的困难就揭示了其设计、建造方法和管理模式存在的问题。

 

    SALT的拥护者称,这些问题是以小成本建设一架世界最大的望远镜所无法避免的。在HRS到来前,这架望远镜的第一代探测器尚不完整。而且这台光谱仪在明年年初正常启用前,还需要测试和校准。尽管如此,南非天文台(SAAO)台长、负责管理SALT的Ted Williams表示,“在未来,我们面临的挑战是,产出好的科学成果”。

 

前期限制

 

    从1998年计划建造的那一刻开始,SALT就不被看好——因为SAAO及其合作者能支配的金钱从未像北方天文台那样充裕。SALT团队必须想办法只用300万美元来设计、建造和装配一架11米的望远镜。这些钱只是8.2米的甚大望远镜(VLT),或凯克天文望远镜造价的一小部分。“如果VLT是法拉利,那SALT最多是辆家庭轿车。”SAAO仪器主管Darragh O’Donoghue说。

 

    除此之外,SALT的选址也将其置于技术不利的条件下。该位置之所以被选中是因为其完美的夜空和较好的道路、能源条件。自1974年开始,SAAO就已经在管理那里的一架1.9米的望远镜,以及其他几台小型设备。

 

    但是,这里仅比海平面高出1798米,比天文学标准低得多,所以望远镜上方总会有厚厚的大气层,使射进的星光变得模糊。SALT拍摄的图像虽然能被接受,但是可能永远不会像那些位于世界级位置(例如4200米的美国夏威夷莫纳克亚山)的望远镜所得到的图像那样清晰。

 

    不过,SALT的位置也能让它填补南方天空观测的巨大空白。当恒星、星系或行星处于现有的主要位于澳大利亚和智利的南半球观测台地平线或以下时,它们仍处于南非的高空中。对于像美国哈佛大学天文学家Dimitar Sasselov这样的研究人员而言,这十分有利。“我们经常会面临行星凌日等时效性事件,这使得南半球的观测时间很难确定。”Sasselov说。因此,他将SALT视为其他大型望远镜的重要补充物。

 

    认识到自己面临的限制后,SALT的设计者决定使该望远镜成为光谱学领域的世界级望远镜。光谱学能够提供有关天体运动等领域的丰富知识,但不需要最终的清晰图像——只是一面大镜子收集许多光线。

 

    以非常紧张的预算建造这样一面镜子十分困难。SAAO复制了霍比—艾伯利望远镜(HET)节约成本的设计——位于美国麦克唐纳天文台的HET是一个11米宽的设备,于1996年竣工。对于该设备而言,一个最大的成本节约来自上世纪80年代夏威夷凯克天文望远镜的一项先进技术:利用一些六边形的镜面,拼凑成望远镜的镜面,每个部分被独立加工和运送到建造地——这比制造、抛光和运输一块巨大镜子便宜得多。

 

    另一个大规模成本缩减来自于使用球面镜。虽然,球面镜不能对星光进行锐聚焦——那需要一种名为抛物面的略有不同的形状。但是,抛物面更复杂和昂贵,每个部分的曲度需要因其所处的位置而不同。而球面镜的各部分是完全相同的,这意味着SALT的91个镜面单元能相对便宜地进行大规模生产。而且,不完美的焦点可以在光进入探测器之前,通过球面像差校正器(SAC)进行校正。

 

成像噩梦

 

    但随着SALT逐渐成型,其设计者决定改进SAC和其他元件的设计,以得到质量更好的图像,并且这些改变还能使该望远镜有更大的视野。但是,于2005年落成后,该望远镜开始面临自己的问题。

 

    其中最严重的问题是,尽管设计得到改进,SALT的图像质量依然很差。在其主要光学相机SALTICAM和罗伯特斯托比光谱仪(RSS)拍摄的图像上,恒星看上去常常像被弄脏或拉伸了。但是,在没有明显原因的罕见几天中,相片十分完美。

 

    为了解决这个问题,SALT团队已经花费了数年时间。研究人员猜测首个可能的罪魁祸首是SALT的主镜面。他们想知道,这些镜面元件中是否有一些是不完全一致的,这使得它们无法以需要的精度将光线送入SAC。但是,他们可能需要9个月时间来测试这些部件,挑出可能导致画面质量问题的镜面。

 

    之后,该团队又有了第二个猜测:改进后的SAC。其中还包括直径约有半米的辅助镜,它需要达到微米的精度。但检验和测试这些镜子需要1年多时间。

 

    最后,研究人员确定了问题所在:SAC附着于望远镜的方式出了问题。支撑结构由金属制成,它们会随着温度的变化而膨胀和收缩,这会影响SAC的校准,同时也解释了日复一日的变化。而且,在设计时,望远镜仪器的重量增加。这些导致原先的设计方案无法保持SAC的正确位置。

 

    SAAO前台长Phil Charles指出,在理想状态下,SALT应该预见这些问题。但是,现实世界受到了钱和时间的限制,他们仅简单地假设HET这部分设计是正确的。“我们现在知道,HET遭遇了SALT遇到的所有问题。”Charles说,“他们的基本画面质量很差,但你无法看到隐藏的机械设计问题。”

 

    直到2010年8月,一个新的更好的支撑结构被安装在SALT上,成像噩梦才被终结。

 

“色盲”设备

 

    考虑到过去的曲折历史,人们就不会惊讶,研究人员对HRS的到来和装配绷紧了神经。组装团队很快发现,该设备用于捕捉和分析蓝光的“蓝色相机”存在问题。英国杜伦大学光学专家Jürgen Schmoll表示,实际上,HRS的一只眼是盲的。Schmoll与该装置从其建造地(杜伦大学)一同来到南非。

 

    研究人员发现,在运输过程中,3个固定检测器芯片的金属球中的两个变松,芯片出现倾斜。最安全、最慢和最昂贵的办法是,把这台相机搬到开普敦的无尘室,邀请来自杜伦大学的技术人员重新接上这些球。不过,该研究小组最后决定就地解决这个问题。这是一项困难的工作,因为在处理过程中进入相机的任何一点灰尘都可能成为这个敏感探测器的“永久装置”。

 

    9月22日,SALT团队宣布操作成功。明年HRS一旦投入运作,SALT团队希望它能在恢复望远镜的全球声誉方面发挥重要作用。例如,HRS应该很擅长发现一颗恒星光谱的微妙变化,这显示它正在被一颗系外行星环绕。

 

    但是,加拿大国家研究委员会天文学家Dennis Crabtree指出,要跻身世界级行列,SALT还需要提高其生产率。Crabtree一直关注超过3.5米的望远镜的科学产出,他说:“SALT由于初期问题,而处在一个相当低迷的状态,这也使得科学论文产出量较低。”

 

    SALT能够避免这些问题吗?美国双子座计划施工阶段负责人Matt Mountain表示,或许不能全部避免。建设世界上最大的望远镜,技术故障是常有之事,但是他说,最大的问题是如何解决这些故障。

 

来源:《中国科学报》 (2013-11-04 第3版 国际) (张章)

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