8米鏡面如何造
——探訪亞利桑那鏡面實(shí)驗(yàn)室

□ 北京大學(xué) 陳昱光

8米鏡面如何造
——探訪亞利桑那鏡面實(shí)驗(yàn)室

□ 北京大學(xué) 陳昱光

如果用一句話概括人類建造天文望遠(yuǎn)鏡的歷史的話，那就是“追求更大的口徑”。在這段歷史中，誕生出了龐雜的設(shè)計(jì)理念。在諸多知名的現(xiàn)存望遠(yuǎn)鏡中，有一批設(shè)計(jì)一脈相承，并且這種設(shè)計(jì)催生了一個(gè)每當(dāng)人們提起鑄造望遠(yuǎn)鏡就不得不提的“圣地”——位于美國亞利桑那州圖森市的亞利桑那大學(xué)鏡面實(shí)驗(yàn)室（Mirror Lab）。

圖1 世界著名望遠(yuǎn)鏡的主鏡大小比較。（摘選自維基百科，由筆者翻譯）

圖2 筆者與L B T望遠(yuǎn)鏡的合影。

圖1把世界上知名的大望遠(yuǎn)鏡鏡面按照比例畫在同一張圖上，從中可以清晰地看出現(xiàn)代大望遠(yuǎn)鏡主鏡設(shè)計(jì)上的兩種趨勢。一種是通過鏡面拼接技術(shù)將小鏡面拼接成一個(gè)大鏡面，另一種是直接鑄造一個(gè)足夠大的鏡面。如果問，兩種設(shè)計(jì)誰更優(yōu)越，恐怕很難給出一個(gè)簡單的答案。但如果問鑄造大的單鏡面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡誰的技術(shù)最好，鏡面實(shí)驗(yàn)室則一定能夠脫穎而出。其所能鑄造的最大鏡面（直徑8.4米）從1997年開始一直蟬聯(lián)世界第一。目前全世界超過8米的鏡面，有一半以上來自鏡面實(shí)驗(yàn)室，其中包括：大雙筒望遠(yuǎn)鏡（L B T），由2個(gè)8.4米鏡面組成；大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡（L S S T），預(yù)計(jì)將于2019年完成建設(shè)并開光；大麥哲倫望遠(yuǎn)鏡（G M T），由7個(gè)8.4米鏡面組成，另外還包括了1個(gè)用于在其他鏡面鍍膜時(shí)進(jìn)行替換的鏡面，預(yù)計(jì)將于2020年建成，并有可能成為第一個(gè)建成的下一代30米級望遠(yuǎn)鏡。

圖3 鏡面實(shí)驗(yàn)室。上面的水泥結(jié)構(gòu)就是亞利桑那大學(xué)橄欖球場的看臺(tái)。外面看起來鏡面實(shí)驗(yàn)室很小，似乎根本都放不下一個(gè)8米的望遠(yuǎn)鏡，其實(shí)還有很多空間位于看臺(tái)底下。凸出來的一小塊是實(shí)驗(yàn)室的倉庫，里面正放著GMT的兩個(gè)主鏡和L S S T的副鏡。

如果讀者對一個(gè)8.4米的望遠(yuǎn)鏡有多大沒有概念的話，可以參考圖2。筆者站在L B T的正下方舉起了一只手卻依然顯得十分渺小。要想知道這樣一個(gè)鏡子是如何變成現(xiàn)實(shí)的就必須要探訪一下鏡面實(shí)驗(yàn)室。

鏡面實(shí)驗(yàn)室其貌不揚(yáng)。它坐落在亞利桑那大學(xué)橄欖球場東側(cè)的看臺(tái)下面。據(jù)說在1985年鏡面實(shí)驗(yàn)室選址的時(shí)候，實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始人羅杰?安吉爾為如何能夠在校園里建設(shè)一個(gè)建筑以容納巨大的熔爐而頭疼不已。直到他有一天路過學(xué)校橄欖球場時(shí)發(fā)現(xiàn)看臺(tái)下面正好有足夠的空間放置熔爐和各種檢測儀器。于是鏡面實(shí)驗(yàn)室就成了今天的樣子。這個(gè)板房似的建筑物讓人很難想象世界上諸多知名的望遠(yuǎn)鏡都誕生于此。

在鏡面實(shí)驗(yàn)室鑄造一個(gè)8米級的鏡面，一切要從玻璃開始。圖4是鏡面實(shí)驗(yàn)室展示的玻璃樣品。鏡面實(shí)驗(yàn)室并不生產(chǎn)玻璃，因此像圖中展示柜上兩層的光學(xué)玻璃多數(shù)是從其他國家進(jìn)口的。這些玻璃通常要跋山涉水才能運(yùn)送到鏡面實(shí)驗(yàn)室，于是人們想出了一個(gè)簡單粗暴的辦法，就是直接把制造好的光學(xué)玻璃敲碎再運(yùn)送過來，畢竟那些玻璃還是要被重新融化掉的。展示柜的左下角是蜂巢結(jié)構(gòu)的一個(gè)單元。由于鏡面越大質(zhì)量越大，所以對于8米級的鏡面，什么材料能夠穩(wěn)固的支撐這些鏡面都成了問題。因此，這些望遠(yuǎn)鏡的背面都采用了類似蜂巢的結(jié)構(gòu)（如圖5）。這種結(jié)構(gòu)不僅能保持鏡面的強(qiáng)度，還能減輕鏡面的質(zhì)量，同時(shí)在每個(gè)蜂巢結(jié)構(gòu)單元里放置的制冷器可以有效控制鏡面溫度。所以，在熔爐里碼放那些碎玻璃之前，首先要在底下碼放一層像圖4中那樣的蜂巢單元，再在上面碼放碎玻璃。然而，每一個(gè)望遠(yuǎn)鏡的焦距設(shè)計(jì)不盡相同，為了達(dá)到最佳效果，鑄造每一個(gè)鏡面的蜂巢單元都需要重新設(shè)計(jì)。圖6展示的就是熔爐的底面，白色的位置就是固定蜂巢單元的地方。

圖4 鏡面實(shí)驗(yàn)室的展示柜，里面放置的有光學(xué)玻璃的樣品、蜂巢單元樣品以及其固定元件。

圖5 陳列在基特峰天文臺(tái)的WI Y N望遠(yuǎn)鏡（1/10縮小版）模型展示了其主鏡背面的蜂巢結(jié)構(gòu)。

圖6 鏡面實(shí)驗(yàn)室鏡面鑄造熔爐的底部。

圖7 8.4米熔爐的頂蓋。

在玻璃碼放完成后，就是鏡面的鑄造了。圖7像飛碟一樣的東西就是熔爐的“鍋蓋”。把鍋蓋蓋上以后，這個(gè)內(nèi)徑8.4米的巨大熔爐可以加熱并旋轉(zhuǎn)。有普通物理知識(shí)的讀者可以計(jì)算得知，這樣按一定速度旋轉(zhuǎn)出來的鏡面就是拋物面。為了使熔化和冷卻時(shí)的溫度均勻，整個(gè)旋轉(zhuǎn)過程通常要持續(xù)數(shù)月。用這種方法制造蜂巢結(jié)構(gòu)鏡面最早就是由羅杰?安吉爾于1980年在自家后院實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)8.4米內(nèi)徑的熔爐則是在1990年建成。不過它最早鑄成的鏡面并不是8.4米，而是用于更新多鏡面望遠(yuǎn)鏡（M M T）的6.5米鏡面。在6.5米主鏡鑄造成功后，1997年，鏡面實(shí)驗(yàn)室才將其應(yīng)用于鑄造第一個(gè)8.4米的單個(gè)光學(xué)鏡面——L B T。

鑄造工作完成之后下一步就是拋光。如圖8所示的是在鏡面實(shí)驗(yàn)室里對L S S T進(jìn)行拋光。筆者注意到由于L S S T的特殊設(shè)計(jì)，所以主鏡和三級鏡在一塊玻璃上。這給拋光過程帶來了很大的難度。圖中正在拋光的是三級鏡。現(xiàn)在的拋光過程已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制，但是不同的鏡面設(shè)計(jì)也經(jīng)常給拋光帶來挑戰(zhàn)。比如G M T的主鏡除了中心的一個(gè)鏡面以外，其余的鏡面并不是中心對稱的。在拋光的過程中，工程師還要經(jīng)常性地對拋光中的鏡面進(jìn)行光學(xué)檢測。

完成拋光后的最后一步就是清洗。這一步需要將鏡面豎起來，由工人對鏡背面的蜂巢單元用高壓水槍進(jìn)行逐個(gè)清洗，以防止里面混入任何雜質(zhì)影響鏡面的溫度等性能。圖9中這個(gè)立起來有將近三層樓高的“怪物”就是被塑料膜包裹住G M T的第三個(gè)主鏡。

與薄鏡面拼接技術(shù)不同，鏡面實(shí)驗(yàn)室制造的8米級單鏡面望遠(yuǎn)鏡主鏡不能改變形狀。因此想要實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)光學(xué)，只能在小小的副鏡上尋找辦法。于是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)變得異常精細(xì)。如圖10所示是L B T的副鏡。鏡面同樣是由鏡面實(shí)驗(yàn)室制造，其厚度只有2毫米。它在工作時(shí)并不會(huì)緊挨著后面的促動(dòng)器，而是會(huì)通過磁場懸浮起來，使其距離后面的促動(dòng)器約30微米。然后通過促動(dòng)器上發(fā)出的聲波控制鏡面的形狀，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)光學(xué)。不過背后的促動(dòng)器只有意大利能夠生產(chǎn)，于是造好的鏡面必須要運(yùn)送到意大利。不幸的是，第一次運(yùn)送的時(shí)候，鏡面實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)選錯(cuò)了運(yùn)送方法，導(dǎo)致鏡面被鋁箔劃傷完全報(bào)廢。其精細(xì)程度可見一斑。

8米鏡面的鑄造過程帶來了一個(gè)問題。雖然筆者用簡單的語言通俗地展示了這一過程，但是不難看出，這其中的每一個(gè)步驟都涉及極度精密地測量和制造。僅僅鑄造鏡面這一項(xiàng)就已經(jīng)堪稱是集工程技術(shù)之大乘。所以一定會(huì)有讀者問：“我們真的有必要制造一個(gè)8米的鏡面嗎？”畢竟從現(xiàn)在看來，通過薄鏡面拼接制造的大型望遠(yuǎn)鏡，如凱克望遠(yuǎn)鏡，似乎在科學(xué)產(chǎn)出上稍勝一籌。在筆者看來，這種現(xiàn)象是多方面原因?qū)е碌模⒉荒芎唵蔚牡貜目茖W(xué)產(chǎn)出來評價(jià)兩種設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。比方說，凱克望遠(yuǎn)鏡的管理團(tuán)隊(duì)對于望遠(yuǎn)鏡的管理水平和時(shí)間安排上確實(shí)更勝一籌。此外，臺(tái)址的選擇也是因素之一。目前鏡面實(shí)驗(yàn)室制造的望遠(yuǎn)鏡主要集中在美國西南部，從視寧度和晴夜數(shù)來講都和世界級臺(tái)址有明顯差距。筆者傾向于認(rèn)為，由于歷史原因，兩種不同的設(shè)計(jì)在短期內(nèi)都將持續(xù)存在且難分勝負(fù)。拋開五年、十年的未來不談，如果人類想要制造更大口徑的望遠(yuǎn)鏡的話，兩種基本設(shè)計(jì)理念必將殊途同歸。畢竟當(dāng)歐洲南方天文臺(tái)曾經(jīng)計(jì)劃用多達(dá)3000個(gè)鏡面拼接成100米口徑的絕大望遠(yuǎn)鏡（O v e r w h e l m i n g l y L a r g e T e l e s c o p e，簡稱O W L）時(shí)，一定有不少人和我一樣感嘆：“這幫人要么是瘋了，要么只是說著玩玩的?！?/p>

圖8 正在拋光中的L S S T鏡面。

圖9 正在清洗中的G MT的第三個(gè)鏡面。

圖10 L B T的副鏡。

注：本文中圖2～10均為筆者拍攝。