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有源光学——发明游戏规则改变者

2021-7-2 09:16| 发布者: vantsing| 查看: 962| 评论: 0

摘要: 大小真的很重要,形状也很重要。在建造更强大的望远镜时,两者都很重要。更大的主镜可以让天文学家捕捉到更多的光,并且需要一个形状完美的镜面以避免扭曲;两者的有效结合使得观察较暗的物体成为可能。不幸的是,这 ...

大小真的很重要,形状也很重要。在建造更强大的望远镜时,两者都很重要。更大的主镜可以让天文学家捕捉到更多的光,并且需要一个形状完美的镜面以避免扭曲;两者的有效结合使得观察较暗的物体成为可能。不幸的是,这从来都不是一件容易的事,因为随着望远镜镜面变大,保持完美的形状变得更加困难。


这一挑战在 60  70 年代变得很重要。当时可用的技术不允许天文学家和工程师建造主镜直径超过5米的望远镜。 超过这个尺寸,由于重力将镜子拉得变形,图像质量大大下降。使用当时的技术来建造直径超过5米的镜子需要巨大的结构来支撑镜子和更高的建造成本,导致结构过于沉重而无法获得更好的视野。必须找到一种新方法来确保光学精度。


就在那时,欧洲南方天文台的工程师雷蒙德·威尔逊提出了一个出色而简单的想法,称为有源光学。一个薄且可变形的主镜将由一个主动支撑系统控制,当望远镜改变其方向时,该系统将施加必要的力来校正重力引起的变形(阅读更多内容,请参阅克劳斯·马德森(Claus Madsen)的免费书籍《山顶上的宝石》)。


当欧洲南方天文台的 3.6 米望远镜于1976 年落成时,主动光学仍然只是威尔逊脑海中的一个想法。这就是为什么它的主镜有半米厚,重达11吨,令人难以置信。


新概念在ESO总部用75个执行器制作的主动支撑的1米薄镜子进行了测试。执行器是运动非常精确且可以精确控制的电机:通过推动镜子,它们可以校正其形状并补偿重力产生的变形。当望远镜移动时,这个主动系统可以保持镜子的正确形状。由于带有图像分析器的计算机可以检测到与理想镜子形状的最小偏差,因此可以实时计算执行器应用的校正。主动光学是在 ESO 内部开发的,在这次成功试验之后成为新技术望远镜 (NTT) 的主要特征。由于采用主动光学技术,NTT 3.58米主镜仅厚24厘米,重6吨。

1987 年,米望远镜支持加兴 ESO 总部的主动光学实验。图片来源:ESO

新技术望远镜 (NTT) 开创了有源光学技术。 图片来源:ESO/C.Madsen 培根


 NTT  1990 年开始运行以来,主动光学已应用于所有主要望远镜,包括欧洲南方天文台的甚大望远镜(VLT) 威尔逊因其发明而荣获多项奖项,这被证明是天文学的游戏规则改变者。


四个VLT单元望远镜 (UT) 中的每一个都配备了迄今为止构建的最好的有源光学系统。该系统控制望远镜结构顶部的主8.2Zerodur反射镜以及辅助1.1米轻质铍反射镜。根据来自该设备的相应信号,望远镜反射镜会定期自动调整。


得益于这项技术,四个UT的主镜各重22吨,宽8.2米,但厚度仅为17厘米——巨大的煎饼形状!每个镜子都位于150个计算机控制的支架(执行器)上,这些支架安装在一个重约11吨的极其坚固的牢房中。VLT主动光学系统确保这些大镜子始终具有最佳形状,并始终提供一流的宇宙图像。

VLT 有源光学系统。 来自:欧洲南方天文台

2010 年享有盛誉的 Kavli 天体物理学奖授予 Jerry NelsonRaymond Wilson  Roger Angel,以表彰他们对巨型望远镜发展的贡献。 来自:ESO 培根


现在,主动光学技术面临着下一个巨大挑战,即计划中的超大望远镜(ELT)39米主镜。ELT主镜将由798个单独的部分组成。每个部分都可以通过活塞和倾斜机构移动,通过补偿温度波动和重力的影响,使这个马赛克作为一个巨大的镜子工作。

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