天文望遠(yuǎn)鏡，什么時(shí)候才能“便宜又大碗”？

出品：科普中國(guó)

作者：海里的咸魚（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所光學(xué)碩士）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

第一眼太空

早在新石器時(shí)代，古人就在一些洞穴和石頭上畫出了月相和星座等圖案。從那時(shí)起，人類開啟了求知的旅程中最宏偉、最振奮人心的部分——探索宇宙。古代，天文學(xué)家們通過肉眼觀測(cè)宇宙，將星星分為若干個(gè)群組，并賦予他們特定的名稱，也就是現(xiàn)在人們熟知的星座；還建立了星等系統(tǒng)來衡量星星的亮度；人們還通過觀察太陽(yáng)、月亮和星星的位置和運(yùn)動(dòng)，來劃分出24節(jié)氣指導(dǎo)農(nóng)耕和生活。

17世紀(jì)初望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)后，人類觀測(cè)宇宙的能力極大提高，同時(shí)也推動(dòng)了人類對(duì)日心說理論的接受程度。16世紀(jì)的天文學(xué)家布魯諾因?yàn)橹С秩招恼f而被處以死刑，如果在布魯諾生活的時(shí)代已經(jīng)發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，可能會(huì)有更多人支持他。

17世紀(jì)早期的望遠(yuǎn)鏡

（圖片來源：wikipedia）

太空觀測(cè)的競(jìng)賽

望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明解決了從0到1的問題，接下來就是不斷提高它的性能。評(píng)價(jià)望遠(yuǎn)鏡的性能，有一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)——口徑?？趶郊词峭h(yuǎn)鏡主鏡的直徑?？趶接?，望遠(yuǎn)鏡能夠收集的光線就越多，觀測(cè)到的天體就更加明亮、清晰。

舉個(gè)例子，當(dāng)用肉眼直接觀察恒星時(shí)，它往往顯得暗淡模糊。借助望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)則能夠發(fā)現(xiàn)恒星變亮了，細(xì)節(jié)也豐富了許多。這是因?yàn)橥h(yuǎn)鏡的口徑遠(yuǎn)大于人眼瞳孔的直徑（黑暗條件下，瞳孔直徑約為8mm），相比肉眼能夠收集到更多的光線。

1671年，牛頓發(fā)明了反射式望遠(yuǎn)鏡，它使用反射鏡替代透鏡，能夠獲得更加清晰的圖像，同時(shí)視野也更加廣闊。有了努力方向，眾人在追求大口徑望遠(yuǎn)鏡的道路上狂奔。威廉-赫歇爾（William Herschel：1781年借助望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了天王星）在1789年制造出了直徑達(dá)1.26米的望遠(yuǎn)鏡；喬治·埃勒里·黑爾在約翰-胡克、安德魯-卡耐基等人的資助下建成了直徑達(dá)2.5米的胡克望遠(yuǎn)鏡，埃德溫·哈勃 (Edwin Hubble)利用胡克望遠(yuǎn)鏡觀察宇宙，得出了兩個(gè)改變了科學(xué)界對(duì)宇宙的看法的結(jié)論：銀河系之外還有星系，宇宙一直在膨脹。

威廉-赫歇爾制造的1.26米直徑的望遠(yuǎn)鏡

（圖片來源：wikipedia）

胡克望遠(yuǎn)鏡,直徑2.54米

（圖片來源：wikipedia）

到了現(xiàn)代，大口徑的望遠(yuǎn)鏡更是如雨后春筍般涌現(xiàn)。1948年建成的海爾望遠(yuǎn)鏡直徑5.08米；1993年建成的凱克1望遠(yuǎn)鏡直徑10米；2007年建成的GTC望遠(yuǎn)鏡直徑高達(dá)10.4米，是目前世界上最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

GTC望遠(yuǎn)鏡，直徑10米

（圖片來源：Flickr/Pedro José Luengo Rarmírez）

望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)大性能的背后，是高昂的成本

大口徑望遠(yuǎn)鏡推動(dòng)了天文學(xué)的發(fā)展，拓展了人類對(duì)宇宙的認(rèn)知。然而，有一個(gè)問題始終伴隨著大口徑望遠(yuǎn)鏡——成本。建造一臺(tái)大口徑的望遠(yuǎn)鏡，實(shí)在是太貴了。威廉-赫歇爾制造的直徑1.26米的望遠(yuǎn)鏡，資金來源于皇家的贊助，赫歇爾花了五年的時(shí)間才將其制造完畢，并且超出了預(yù)算。

近代及現(xiàn)代的大型望遠(yuǎn)鏡多是依靠一個(gè)或幾個(gè)國(guó)家的資助而建成，凱克1望遠(yuǎn)鏡建造成本約為8.7億美元，GTC望遠(yuǎn)鏡的建造成本則高達(dá)14.7億美元。這些望遠(yuǎn)鏡的使用對(duì)象基本都是專業(yè)的天文研究機(jī)構(gòu)，對(duì)于多數(shù)人而言，所能夠接觸到的天文望遠(yuǎn)鏡多為15厘至30厘米口徑的天文望遠(yuǎn)鏡，它們的價(jià)格在幾千至幾萬元之間。但是直徑為50厘米的天文望遠(yuǎn)鏡，價(jià)格卻已經(jīng)飆升到了接近40萬元。

不同口徑望遠(yuǎn)鏡觀察下的土星

（圖源：NASA、hubblesite）

就像上邊這幅圖片所展示出來的，望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，所能夠觀察到的土星細(xì)節(jié)越多，10厘米口徑的望遠(yuǎn)鏡無法觀察到土星環(huán)中的卡西尼縫(土星環(huán)中的那個(gè)縫隙)，20厘米口徑的望遠(yuǎn)鏡則可以清晰分辨，2.4米口徑的哈勃望遠(yuǎn)鏡則能夠清晰拍攝土星環(huán)帶的細(xì)節(jié)分布。這也意味著，在觀察其他天區(qū)時(shí)，望遠(yuǎn)鏡口徑越大，分辨能力越高，所能夠觀測(cè)到的星星就越多。

薄膜望遠(yuǎn)鏡，另辟蹊徑

親眼目睹閃爍的恒星勝過屏幕上展示的任何星系圖片。如果存在一個(gè)具備大口徑且價(jià)格親民的望遠(yuǎn)鏡，那一定是薄膜望遠(yuǎn)鏡。正如它的名字提到的，薄膜望遠(yuǎn)鏡中的鏡面不是由金屬或玻璃制成，而是由一張反光的薄膜構(gòu)成。如何利用薄膜做反射鏡面呢？用一個(gè)簡(jiǎn)單的小實(shí)驗(yàn)來解釋，把礦泉水瓶的平底切掉后蒙上一層保鮮膜或其他有彈性的薄膜，然后對(duì)著瓶口吹氣或吸氣，到這里，你已經(jīng)掌握了制作薄膜反射鏡的原理。向瓶子呼氣或吸氣時(shí)，保鮮膜會(huì)因礦泉水瓶?jī)?nèi)外氣壓差，而被彎曲成一個(gè)凹面或是凸面。

除了利用氣壓來控制薄膜的形狀外，還能利用靜電來控制薄膜的形狀。在冬天的時(shí)候，人手上所帶的靜電能吸引頭發(fā)立起來，同樣地，利用靜電去吸引薄膜，也能夠讓薄膜變形成我們所需要的形狀。

圖片：靜電控制的薄膜反射鏡

（圖片來源：參考文獻(xiàn)2）

在上個(gè)世紀(jì)60年代，美國(guó)發(fā)射了一個(gè)直徑高達(dá)30米的充氣衛(wèi)星Echo-1號(hào)，它就好像一個(gè)大型的反光氣球，這是薄膜反射鏡最早的工程應(yīng)用。但由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)限制，這顆“大氣球”的實(shí)際表面形狀并沒有達(dá)到人們的預(yù)期，不過它的存在為后續(xù)一系列薄膜反射鏡的研究奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，美國(guó)的波音公司、NASA，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所、蘇州大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)都已經(jīng)掌握了薄膜望遠(yuǎn)鏡的加工制造技術(shù)。目前薄膜反射鏡已經(jīng)能夠用于光學(xué)成像。

采用薄膜望遠(yuǎn)鏡拍攝的月面圖像

（圖片來源：參考文獻(xiàn)3）

未來是美好的，道路是艱辛的

利用薄膜反射鏡來制作天文望遠(yuǎn)鏡，主要的成本不再是薄膜反射鏡本身，而是控制薄膜形變的配套機(jī)構(gòu)。靜電或氣壓控制薄膜形變的機(jī)構(gòu)本身需要足夠精密，能夠保證薄膜彎曲為理想形狀，同時(shí)還需要反應(yīng)足夠快，柔性的薄膜反射鏡很容易受到外界的影響，空氣的流動(dòng)甚至溫度的變化都會(huì)改變薄膜的形狀，因此一個(gè)靈敏精確的面型控制機(jī)構(gòu)以及配套的控制算法是薄膜反射鏡性能好壞的關(guān)鍵。

算法本身雖然復(fù)雜，但是算法的復(fù)制以及大規(guī)模應(yīng)用的成本卻相當(dāng)?shù)?。保守估?jì)，一個(gè)口徑約半米的薄膜反射望遠(yuǎn)鏡成本大約能夠控制在一萬多元，這一價(jià)格足以讓許多老百姓能夠買上一臺(tái)，為大家提供一個(gè)窺見地球外世界的窗口。

參考文獻(xiàn)：

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[6] GTC望遠(yuǎn)鏡官網(wǎng)