美國西南部重要觀測基地概覽（一）

美國的天文博士項(xiàng)目平均需要5～7年來完成，而大多數(shù)學(xué)校會在博士項(xiàng)目的前兩年安排學(xué)生完成與本科生類似、但更深入的課程。所以，我依舊需要上課、完成作業(yè)和考試。但這也是我有幸用九天時間游歷了美國西南部幾個重要觀測基地的原因——這是一門天文學(xué)觀測課程的一部分。在這九天中，我收獲不小、感慨良多，把部分在愛好者時代向往的土地邁過了一遍。大概是因?yàn)榻邮芰怂哪晡锢韺W(xué)本科學(xué)習(xí)以及一年有余的天文專業(yè)訓(xùn)練，看待問題相較之前更理性的緣故，我現(xiàn)在的心境早不如當(dāng)年中學(xué)時代那樣滿腔熱血，但我依舊堅(jiān)信我理想的職業(yè)是最好的，正如我在這里的第一堂課，教授所說的——“This is the best job, we get paid by detecting the universe.”

我們的第一站是美國亞利桑那州第二大城市圖森（Tucson），在天文學(xué)界赫赫有名、且尤其以觀測和儀器見長的亞利桑那大學(xué)（UA）便坐落于此。在到達(dá)圖森的第二天上午，我們便在當(dāng)?shù)毓ぷ魅藛T和教授的帶領(lǐng)下開始參觀亞利桑那大學(xué)下屬的斯圖爾德天文臺鏡面實(shí)驗(yàn)室（Steward Observatory Mirror Laboratory，以下簡稱SOML）。

簡而言之，SOML就是專門出產(chǎn)大口徑光學(xué)或紅外望遠(yuǎn)鏡主鏡的地方。不少有名的大望遠(yuǎn)鏡出產(chǎn)或者在建于此：6.5米的MMT多鏡面望遠(yuǎn)鏡（Multiple Mirror Telescope），11.8米的LBT大型雙筒望遠(yuǎn)鏡，在建8.4米的大口徑全天巡視望遠(yuǎn)鏡（Large Synoptic Survey Telescope，簡稱LSST）、21.4米的巨麥哲倫望遠(yuǎn)鏡（Giant Magellan Telescope，簡稱GMT，其包含7個8.4米的單鏡）。SOML是非盈利的，雖然他們每磨成一個新望遠(yuǎn)鏡會得到一筆資金，但這些資金最終也全部被用于新技術(shù)的研發(fā)。

一進(jìn)門，接待的教授就把我們領(lǐng)到一間辦公室，教授對著墻上的MMT圖片講解了一番。之前的SOML還沒有能力建造一塊完整的6.5米口徑的望遠(yuǎn)鏡，所以他們把MMT造成了6個1.8米單鏡組成的鏡面陣，這也是MMT名字的由來——多鏡面

圖1 基特峰全景圖

終于到了進(jìn)車間的時候了！

SOML制造望遠(yuǎn)鏡的流程大致分為三部分：

首先是把毛坯玻璃放到一個旋轉(zhuǎn)爐里轉(zhuǎn)

接著在冷卻下來之后開始粗磨

最后是將鏡子細(xì)細(xì)研磨直至出廠

所以SOML的車間也因這三個主要流程，分為三部分。望遠(yuǎn)鏡。后來，SOML有能力造6.5米以上級別的單鏡了，他們從1998年起把原來的6塊單鏡拆掉，換成了一塊完整的鏡子，新鏡子依然在原來的圓頂里，只是多鏡面望遠(yuǎn)鏡的名字保留下來了。那他們?yōu)槭裁匆研翸MT造在之前圓頂里呢？這是個比較有意思的知識點(diǎn)，有時候，建造一個望遠(yuǎn)鏡圓頂，甚至比建造望遠(yuǎn)鏡本身的造價還要高。想來也是，之前課上老師提到，在天文臺選址的時候，總會遇到意想不到的難題：各類保護(hù)協(xié)會會突然冒出，也有神人會指出我們買的地皮是他家祖?zhèn)魍恋兀胄蘼愤€要交過路費(fèi)之類。

圖2就是SOML的旋轉(zhuǎn)爐，熔融玻璃液面在勻速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)爐中保持我們想要的拋物面，里面的毛坯玻璃是從日本一家玻璃公司進(jìn)口而來。這個爐子里面有攝像機(jī)，我們也有幸在控制室里（圖2中旋轉(zhuǎn)爐后方有門的地方）看到了攝像機(jī)拍攝的玻璃熔化的過程（當(dāng)然是快進(jìn)的節(jié)奏），頗有意思。首先，工程師們先在爐子底端排滿一個個六邊形的容器模子，然后把一塊塊玻璃均勻地?cái)[在模子上面。之后，SOML要用5天的時間使?fàn)t子達(dá)到最高溫度2310華氏度（約為1266攝氏度），玻璃塊也熔化成液體流進(jìn)蜂窩狀容器里。隨后大概經(jīng)過120天，爐內(nèi)的物質(zhì)溫度緩慢降到室溫，這時就可以打開爐子，把鏡子拿出來了，鏡子的背面自然也是蜂窩狀的。目前在旋轉(zhuǎn)爐里造的是GMT的一個8.4米的單鏡。

SOML的旋轉(zhuǎn)熔爐

如圖3，SOML就是用這個巨型的鐵圈“夾子”，來運(yùn)輸冷卻完畢之后的望遠(yuǎn)鏡鏡面。在經(jīng)過一番仔細(xì)檢查之后，工程師先把鏡子和旋轉(zhuǎn)爐底部用膠粘起來，然后把整個鏡子從旋轉(zhuǎn)爐中抬出來，放上鐵圈夾。在鏡面制造過程中，鐵圈夾一共用到三次，一次是將鏡子夾起，以去掉底部的蜂窩狀模子。還有就是將鏡子倒扣，以便研磨鏡子背面。最終再把鏡子正放，研磨鏡子表面。把鏡子拿出來之后，還要把鏡子背面的蜂窩狀模子沖洗掉（制造的模子材料是水溶性的）。在沖洗過程中，溫度一定要嚴(yán)格控制，如果哪里突然溫差大了，玻璃會因?yàn)閼?yīng)力變化不均勻，把整塊玻璃撐壞，后果很嚴(yán)重。

圖4是研磨鏡子背面所用儀器。由于鏡子背面的研磨相對不那么講究，所以這個過程相比于鏡子正面的粗磨和細(xì)磨都要快很多。

下一階段就是粗磨望遠(yuǎn)鏡了。圖5中正在經(jīng)歷粗磨過程的鏡子，是GMT的另外一塊單鏡，此時正倒扣在架子上，正面朝下。據(jù)說在這個過程中，我們是可以摸一摸鏡子的正面的。雖然講解的教授沒有主動邀請我們這么做，但前年我們系另外一撥學(xué)生來這里的時候，就被邀請摸望遠(yuǎn)鏡了，于是我也斗膽摸了摸，沒感到有什么特別的，只是粘了一手白灰……據(jù)說，粗磨的過程大概又需要一年左右，這個過程之后，鏡子的表面精度可達(dá)到5~10微米。

運(yùn)輸鏡子中必不可少的鐵圈夾。圖中右側(cè)的紅色海報板上還寫著：“World’s largest telescope created here”，頗霸氣。

研磨望遠(yuǎn)鏡背面的儀器

望遠(yuǎn)鏡粗磨階段，圖為8.4米GMT單鏡

圖6 細(xì)磨望遠(yuǎn)鏡階段，圖為正在制造的LSST

最后一步就是細(xì)磨望遠(yuǎn)鏡了。此時的鏡子又為正面朝上，到這個階段，這整塊大玻璃是誰都別想摸了。由于拋物面的曲率在不同半徑下是不同的，這給研磨增加了很大難度。而在研磨過程中，研磨器一方面可以磨薄鏡子，一方面也可以對鏡子施力，相當(dāng)于把鏡子“掰”彎。由于研磨時用到一種液體，我們又不希望這種液體蒸發(fā)太快，于是在實(shí)驗(yàn)室的頂部有不少加濕器，以減慢研磨液體的蒸發(fā)速度。整個研磨結(jié)束之后，鏡子的表面精度可達(dá)10~20納米，檢測方法則是激光干涉法。

參觀完SOML給我的總體感覺是，盡管我是個做理論的（不可避免地終日浸泡在代碼的海洋中），但儀器和觀測對我也有著很大吸引力，興趣永遠(yuǎn)都是最好的老師。

我們下午直奔圖森市西南部的基特峰國家天文臺（Kitt Peak National Observatory,簡稱KPNO），隸屬于美國國家光學(xué)天文臺（NOAO）。雖然從圖森市一上86號公路就能看到我們的目的地基特峰，但卻還需要一個小時的車程。

到了基特峰，山上風(fēng)很大，溫度也低了不少。接待我們的居然也是之前弗吉尼亞大學(xué)天文系畢業(yè)的校友。我們參觀的第一個圓頂是4米的梅奧爾望遠(yuǎn)鏡（Mayall），也是基特峰國家天文臺最大口徑的望遠(yuǎn)鏡。梅奧爾望遠(yuǎn)鏡的圓頂說來也有故事，這里曾在1987年夾死過一名年僅36歲的天文學(xué)家馬克·阿倫森（Marc Aaronson）。在事故之后，這個圓頂?shù)脑O(shè)計(jì)缺陷被修正了。

梅奧爾望遠(yuǎn)鏡是用以前基特峰國家天文臺臺長的名字命名，是一臺f/2.7、赤道式、卡塞格林式反射望遠(yuǎn)鏡，主要用于紅外以及一些暗源的觀測。其終端的CCD是拼接而成，最后等效為8192 ×8192像素。我們也有幸進(jìn)到了梅奧爾望遠(yuǎn)

超鏈接

梅奧爾望遠(yuǎn)鏡的圓頂體型龐大，在到達(dá)望遠(yuǎn)鏡基座之前，要經(jīng)過16層樓。在這16層樓里，有機(jī)械室、儀器室、暗室、活動室、教室及宿舍等等，有些房間已廢棄不用。想要弄清梅奧爾望遠(yuǎn)鏡圓頂內(nèi)部結(jié)構(gòu)的話，要下一番功夫才行。想進(jìn)到擺放望遠(yuǎn)鏡的頂層，還要經(jīng)過兩個電梯，稍不留神便會迷路。梅奧爾望遠(yuǎn)鏡主要用于暗源以及紅外觀測。它通過測量星系在不同半徑處的旋轉(zhuǎn)速度以探測其中的暗物質(zhì)，通過掩星手段測量恒星半徑，還建立了許多橢圓星系如M87、M49的動力學(xué)結(jié)構(gòu)。此外，梅奧爾望遠(yuǎn)鏡還用于研究宇宙大尺度結(jié)構(gòu)。鏡的終端去看。值得一提的是，4米梅奧爾望遠(yuǎn)鏡的圓頂不比LBT（兩個8.4米的巨型雙筒望遠(yuǎn)鏡）的圓頂小，原因就在于梅奧爾望遠(yuǎn)鏡是赤道式，而LBT是地平式望遠(yuǎn)鏡，地平式相對比較省空間。

圖7 Mayall望遠(yuǎn)鏡

而后我們又參觀了新型WIYN望遠(yuǎn)鏡（WIYN，分別是威斯康星大學(xué)麥迪遜分?！癠niversity of Wisconsin-Madison”、印第安納大學(xué)“Indiana University”、耶魯大學(xué)“Yale University”和美國國家光學(xué)天文臺“National Optical Astronomy Observatory”四個合作單位的首字母），它口徑3.5米，為RC系統(tǒng)。由于WIYN望遠(yuǎn)鏡是地平式的，所以其“圓”頂（其實(shí)不是圓的）看起來要比梅奧爾望遠(yuǎn)鏡小了很多，而口徑只少了半米。通過WIYN望遠(yuǎn)鏡控制室的窗戶，我們可見梅奧爾望遠(yuǎn)鏡的圓頂，每天對著這樣的景色工作，倒也不失為一種樂趣。因?yàn)閃IYN望遠(yuǎn)鏡正好修在基特峰的上風(fēng)口，望遠(yuǎn)鏡不會受到其他建筑或山體的尾流的影響，所以WIYN望遠(yuǎn)鏡所在位置的氣流最穩(wěn)定，使得它的視寧度是所有圓頂中最好的。

我們在基特峰的最后一站是口徑1.6米的麥克馬斯-皮爾斯太陽望遠(yuǎn)鏡，它外形非?？?，只是今年因?yàn)橘Y金問題，暫時停掉了。

超鏈接

麥克馬斯-皮爾斯太陽望遠(yuǎn)鏡（McMath-Pierce）建成于1962年，是世界上最大的太陽望遠(yuǎn)鏡之一，探測波段在0.3~12微米。它主要用于研究太陽黑子的結(jié)構(gòu)，其他重要成果還包括探測到了太陽內(nèi)部的水蒸氣、探測到黑子外部的強(qiáng)磁場（是地球磁場的上千倍）以及火星大氣中的微激波源等。而且，它也能在夜晚觀測一些亮星。

WIYN望遠(yuǎn)鏡

WIYN望遠(yuǎn)鏡是基特峰國家天文臺上口徑第二大望遠(yuǎn)鏡，但WIYN望遠(yuǎn)鏡的“圓”頂要遠(yuǎn)小于梅奧爾望遠(yuǎn)鏡圓頂。由于WIYN是地平式望遠(yuǎn)鏡，所以在建造時節(jié)省了大量空間。此外，WIYN的“圓”頂曾經(jīng)放在過風(fēng)洞里進(jìn)行研究，其有棱有角的外形是為了使內(nèi)部有效通風(fēng)：既不能風(fēng)速過大、過強(qiáng)使望遠(yuǎn)鏡震動，也要盡快使圓頂內(nèi)外部的溫度達(dá)到一致，減少湍流以提高視寧度。4米的梅奧爾望遠(yuǎn)鏡的配重有375噸，而3.5米的WIYN的配重只有46噸。為抵消溫度（熱脹冷縮）、觀測角度（會使主鏡產(chǎn)生形變）對成像帶來的影響，WIYN采用主動光學(xué)技術(shù)，利用望遠(yuǎn)鏡主鏡后部的傳感器對望遠(yuǎn)鏡的形狀進(jìn)行改變，以達(dá)到最佳成像效果。

圖8 我們的向?qū)Ш蚖IYN望遠(yuǎn)鏡

圖9 WIYN望遠(yuǎn)鏡后面的情況，一塊塊花花綠綠的傳感器是用于根據(jù)成像而調(diào)節(jié)鏡子的形狀的。

太陽望遠(yuǎn)鏡塔的頂部有個2.1米的定日鏡（圖11數(shù)字1的位置），用來跟蹤太陽位置。然后它會把太陽光一直通過這個斜通道引到山底下（山是打通了的），再通過山底的1.6米主鏡（主鏡是凹面鏡，圖11數(shù)字2的位置）又把光反射上山（還在這個斜通道里面），然后再通過一個1.5米的鏡子（圖11數(shù)字3的位置）把光半路攔到各個探測室里面去，觀測太陽。之所以把這個光路造得很長，是因?yàn)樘柟夂軓?qiáng)，我們需要調(diào)整出一個強(qiáng)度相對弱的太陽像。

太陽塔的通道內(nèi)部，圖中最亮處是定日鏡位置

太陽塔光路圖，圖片來自http://nsokp.nso.edu/sites/nsokp.dev.nso.edu/files/files/mcmp_cutaway.gif

太陽塔與星軌。（圖片來源網(wǎng)絡(luò)）

參觀完麥克馬斯-皮爾斯太陽望遠(yuǎn)鏡，我們的基特峰國家天文臺之旅也算結(jié)束了。一行人驅(qū)車又回到圖森市住下。盡管我知道第二天還要奔赴海拔3000多米的格拉漢姆山的LBT大型雙筒望遠(yuǎn)鏡天文臺（Large Binocular Telescope Observatory），但我依舊止不住興奮，一定要發(fā)一篇即時日志、處理并上傳一批照片才睡覺。此程雖累，但樂趣及收獲太多。（未完待續(xù)）

美國西南部重要觀測基地概覽（一）

□ 弗吉尼亞大學(xué)天文系 孫 萌