转出来的天文望远镜:水银面望远镜

作者: 冯麓

来源: 赛先生天文

发布日期: 2020-06-02 19:16:15

本文介绍了水银面望远镜的原理和应用,这是一种通过旋转液体(如水银)形成抛物面来收集星光的创新望远镜设计。文章详细解释了这种望远镜的构造、工作原理及其在科学研究中的潜力,特别是在降低成本的同时实现大口径望远镜的功能。

随着天文学的不断发展,天文望远镜也不断变大。那么,大型望远镜本体上有没有什么能体现天文学家奇思妙想的设计。今天要介绍的这个望远镜,估计几年前听说的人都不多,更别提见过了,这是一台靠自身旋转“转”出来的望远镜——水银面望远镜。

作为天文学家必不可少的工具,望远镜最根本的作用无非就是两个:帮助天文学家看到距离我们更远、宇宙更深处更暗弱的天体;将被观测的天体的细节呈现出来,也就是帮助天文学家看的更清晰。要想看的更深、更清晰,望远镜镜面的口径也就需要更大。望远镜的口径增加了,收集天体发出来的光的面积也就增加了,进而也就可以看到隐藏在宇宙更深处那些更为暗弱的天体,发现新的天文现象。

但望远镜镜子大了,造价也会迅速增长。目前国际上正在兴建的三十米级望远镜,它们的整体造价基本都在20-30亿美元的量级。尽管自古以来,人们就热衷于通过研究天文去追求自然的真谛。但面对这样的成本,很多人只能望而却步。那么,是否还有其他方法,在不过分增加望远镜造价的前提下,还能享受到大口径望远镜带来的好处呢?或者说,有没有什么方法能造出便宜能用的大望远镜来呢?

望远镜的主要目的就是收集来自遥远星空的星光,并把它们汇聚到一点的科学设备上。发出星光的天体距离我们无穷远。基本上我们可以把远处天体射向我们的光看成一束束平行的光线。那么,在二维平面上能令这些平行光线汇聚到一点的最简单的形状就是我们中学学过的抛物线,而在三维上则是由抛物线围绕中轴旋转出来的抛物面。

这也就是说,如果我们可以造出一个很大的抛物面,那么我就可以得到相应大尺寸望远镜的集光能力,相应的焦点也就是大口径天文望远镜中常说的主焦点。在主焦点上再放置上合适的相机,我们就可以进行天文观测了!

那么问题就来了:这么一个抛物面通常是用一块巨大的镜坯磨制而成,但正是这个镜坯和磨制的工序会耗资巨大。有没有什么便宜的方法也能够生成一个巨大的抛物面呢?

喜欢联想到处开脑洞的天文学家就想到了我们小时候玩过的一个游戏——转水瓶:当我们快速旋转一个装水的水瓶时,我们就会看到图4里面水面所显现出的形状。根据简单的物理计算,这个由离心力和重力作用而产生的流体表面所呈现的形状就是抛物面。也就是说,如果我们有一个盘子,里面装上某种液体,当盘子旋转起来,液体形状逐渐稳定后,我们就可以生成一个由这些液体构成的抛物面。

而且如果盘子够大、转的够稳,这些液体也不会飞溅,那么如果它们还能反射光线的话,我们就有了一个可以用来接收星光的装置。如果我们把液体换成价格便宜,且常温下也可以是液体状态的金属,例如水银,我们就有了一个可以反射可见光波段的、成本低廉的大口径抛物面望远镜。

而这正是水银面望远镜的主要思想!但正如瓶子里的抛物面只会出现在水平面上一样,水银形成的抛物面也只能保持在水平面上。这也就是说,它只能朝向头顶的方向进行观测。一旦盛有水银的容器发生倾斜,抛物面就会失稳,也就无法对准目标进行观测了。前面所提到的口径达到6米的大型天顶望远镜,之所以叫天顶望远镜,也正是因为这个原因。话句话说,他不能歪喽!

对于天文学家而言,望远镜是研究星空的必要工具。在他们的眼中,这个工具的好坏就看是否能够有效地帮助进行他们所感兴趣的科学研究。由于水银面望远镜具有口径大、观测方向固定的特点,所以它的观测也就具有下面的两个特点:探测灵敏度高,而且由于每天看到的都是固定的方向,图像可叠加,原则上可以进一步提高对暗源的探测能力;同样由于观测方向固定,而且周期性在固定轨迹上扫过,就可以对这个时间尺度上变化的变源进行探测。

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