点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

望远镜也有金钟罩?

来源:光明网2020-02-17 18:03

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  一说起天文台,可能大家的第一反应就是望远镜,脑海里出现的画面极有可能是像图1左边的圆顶。但实际上,真正的望远镜却藏身在其中。比如图1右侧的我国自制最大通用光学红外望远镜——2.16米望远镜(白色的立方体和橙色支架支撑的部分)就比它置身于其中的圆顶要小的多。今天我们就来聊聊把望远镜罩在其中的“巨无霸”——望远镜的圆顶。

望远镜也有金钟罩?

    图1. 兴隆观测站,雪中的2.16米望远镜圆顶(左)以及圆顶当中的2.16米望远镜(右)。图片源自:http://www.bao.ac.cn/gcsb/201707/t20170712_4832310.html

    望远镜舒适的“家”

  望远镜圆顶最重要、最基本的作用,就是为望远镜提供一个可以安稳存放的“家”。昂贵的光学望远镜基本可以认为是一个超大号版的单反相机的长焦镜头。这样的长焦镜头非常娇贵,风沙雨雪都会对它的使用寿命和观测性能产生极大的影响。也正因为如此,不同于普遍露天的射电波段“大锅”,在建设光学红外望远镜时,基本都需要同时考虑建造相应的圆顶和其外围结构,把望远镜安装于其中。

望远镜也有金钟罩?

    图2. 500米口径射电望远镜FAST。射电波段望远镜普遍不需要圆顶保护。图片源自:https://www.nature.com/articles/d41586-018-07690-6

  不仅如此,为了让望远镜能够在圆顶中住得舒舒服服,圆顶内的空间也要足够。而且,为了天文学家能够方便观测以及维护望远镜,还需要在圆顶和外围结构中设置观测室、光学实验室、小型机加工车间、镀膜间等配套设施。尤其是现代大口径光学红外望远镜,望远镜和科学仪器构成的整个系统本身就极为复杂,在圆顶及外围结构中就需要额外设置相应的安装、维护工作区(如图3),这就使得整个圆顶尽管外面看上去很大,但里面空间其实很紧张,只有合理安排才能保证望远镜高效运行。

望远镜也有金钟罩?

    图3. 两台10米口径的凯克望远镜圆顶及外围结构剖视图,可以看到在外围结构中设置了很多不同功用的区域。

    打开天空的窗

  既然望远镜身处圆顶之中,圆顶就不能影响望远镜对天体的观测。由于被观测的天体有可能出现在天空的任意位置,望远镜需要转到对应方向,圆顶也要保证能够在相应的位置不存在遮挡。

  要实现这一点,最简单的方式就是采用蚌式、篷布式或者平移式的圆顶(平移式圆顶更多见的是平顶形式)。这种圆顶在打开之后会将望远镜完全暴露于外界环境之中,它对于小口径望远镜比较方便,而且开合简单,甚至于往往采用手动开合的方式,所以经常会被应用在私人天文台,或者像兴隆观测站这样对外科普用的小型公共天文台上。当然,也有特例的情况,比如国内最大的光学红外望远镜LAMOST,它的主镜所采用的圆顶就是半球从中间分成两半,向两边平推的平移式圆顶。

望远镜也有金钟罩?

    图4. 左图为平顶式的平移式圆顶(LAMOST首镜采用的是半球形平移式圆顶)。右图为非常高级的蚌式圆顶,甚大望远镜阵的辅助望远镜(AT),像贝壳一样像两边打开收起。

  但对于大口径望远镜,采用这种开合方式就不再实际,一方面由于望远镜大了,圆顶也会很大,整个圆顶的完全开合对于驱动电机来说是个极大的挑战,同时占地面积也会增加,非常不经济。另一方面,当出现气象突变的情况时,这种开合方式比较慢,不足以应对突发情况。而且,这样的圆顶也难以对圆顶内部的环境进行控制,所以大口径望远镜通常采用的是开窗半球形圆顶。

  这里所说的窗,就是为望远镜能够透过圆顶看到天空所设置的方向可变化的窗。为了实现这一目的,圆顶要能够随着望远镜一起转。这种转动包括东南西北这样方向的变化,也包括从水平面到天顶(观测者头顶正上方)不同高度角的变化。只要圆顶的天窗能够实现方向和高度的连续变化,而且速度能够跟上天体的运动速度,那么这个圆顶就可以满足观测要求。

  一般来说,这样的圆顶是通过整个圆顶在混凝土基座上的轨道旋转来实现方向性的要求的,而高度上则是通过将天窗开成一个足够长的狭缝,来保证当望远镜指向这个狭缝后,不会在各个高度产生遮挡而实现的。比如图5中,圆顶中的欧洲甚大望远镜(VLT)两扇滑动门打开后产生狭缝,望远镜可以在不同高度进行观测,同时基座上方的圆顶会与望远镜联动,实现方向上的调节。

望远镜也有金钟罩?

    图5. 欧洲甚大望远镜及其圆顶。左图为望远镜圆顶外部,右图为圆顶内部,可以看到圆顶的狭缝天窗与望远镜的关系,右侧图中还可以清楚看到挡在望远镜前下方圆顶上的可调节风挡(wind screen)。

    会呼吸的“金钟罩”

  对于光学红外望远镜而言,空气所产生的湍流现象不光会使星光产生畸变,同时还有可能在经过望远镜镜面时使镜面产生震动,这都会使望远镜成像质量严重下降。我们知道湍流主要是由于温差带来的。当夜晚来临,环境温度下降的时候,被日晒了一天的圆顶内部很有可能温度与室外存在温差,因此在圆顶内温度下降到室外温度之前的很长一段时间,都会在狭缝天窗附近产生强烈的湍流。

  为此,圆顶必须采用多种方式保证圆顶内部环境与夜间观测时环境一致。这些方式就包括了比较明显的,比如圆顶外面所涂的漆的颜色,圆顶内部即使在白天也能让人冻的瑟瑟发抖的较低的温度;不那么明显的,比如圆顶覆皮内的绝热材料、圆顶内部湿度的控制等等。但即使对圆顶内部温度进行了控制,往往还是会出现湍流,这时就需要对气流进行控制,这也就是为什么在大部分较新的望远镜圆顶上,我们除了会看到狭缝天窗,还会看到其他窗户的原因。通过控制这些不同位置的窗户的开合程度,就能在一定程度上减弱通过望远镜镜面间气流的湍流程度,改善望远镜的成像质量。

望远镜也有金钟罩?

    图6. 下一代三十米级望远镜TMT。除了中间的圆形狭缝天窗是用于观测的,圆顶上所有其他的窗户均用于调控圆顶内部气流。

  如何设计望远镜的圆顶是一门学问,尤其是当望远镜越建越大,圆顶也会变得又大又重,如何实现其有效可靠地开合、旋转、控制,还要能够配合望远镜实现优质观测,需要倚赖各个学科成熟可靠的先进技术。随着我国拟建的中大口径望远镜项目越来越多,可以期待将会有越来越多的人才加入到项目合作当中来。

    作者简介:冯麓,国家天文台CTMT团组,副研究员。主要研究方向为自适应光学技术、激光导星技术、大口径望远镜选址相关内容等。

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 乙巳年黄帝故里拜祖大典在河南新郑举行

  • 上海:纪念五卅运动100周年文物史料专题展开幕

独家策划

推荐阅读
3月30日,2025中国网络媒体论坛“坚持主流价值导向 推动算法向上向善”主题分享会在广西南宁举行。主题分享会上发布了“算法向善”南宁宣言,重点互联网企业代表集体签署。
2025-04-01 09:46
目前全球6G研发已从概念探索进入关键技术攻关阶段,中国围绕2030年实现6G商用这一目标加速布局。
2025-04-01 09:50
AI医疗只是辅助手段。
2025-04-01 09:48
31日,在2025中关村论坛年会“重大科技成果发布活动”上,由北京金融监管局联合市科委、中关村管委会、市经济和信息化局、市委金融办共同指导,全国首个商业航天保险共保体组织——“北京商业航天保险共保体”正式发布,助力北京商业航天加速发展。
2025-04-01 09:47
3月31日,“南海二号”钻井平台在惠州19-6油田海域进行钻探作业。
2025-04-01 09:45
2025中关村论坛年会重大成果专场发布会31日举行,围绕“四个面向”发布19项重大科技成果,展现了我国在前沿科技引领、开源开放合作、创新驱动发展等方面的成效。
2025-04-01 09:41
现场发布2024中国正能量网络精品征集展播活动结果,与会领导为中国正能量十佳网络精品代表、突出贡献单位颁发荣誉证书和纪念牌。
2025-04-01 09:48
主题分享会上发布了“算法向善”南宁宣言,重点互联网企业代表集体签署。
2025-04-01 09:47
今年以来,我国以DeepSeek为代表的大模型企业通过算法优化、有针对性的训练和开源生态协作,在使用“缩水版”GPU芯片的情况下,将千亿参数模型训练成本压缩至同类模型的1/10,走出了一条从粗放式算力堆砌向内生式效能提升的新路径。
2025-03-31 10:21
“联合科研团队初步确定,青龙山恐龙蛋化石普遍表现出特殊排列规律,如常见同层埋藏的恐龙蛋3至5枚一组排列成微微弯曲的弧线,多组弧线近平行展布。
2025-03-31 10:03
由西湖大学孵化的西湖仪器,日前成功实现12英寸碳化硅衬底激光剥离自动化解决方案,大幅降低损耗,提升加工速度,推进了碳化硅行业降本增效。
2025-03-31 10:02
日照两城河口国家湿地公园,一群绿头鸭在水面上自由飞翔。
2025-03-31 10:01
3月28至29日,作为2025中关村论坛年会的重要组成部分,中关村国际技术交易大会“全球高校科技成果转化促进大会”在北京工业大学举行。
2025-03-31 09:59
2025中关村论坛年会于3月27日至31日在北京举办,以“新质生产力与全球科技合作”为年度主题。其中将举办碳达峰碳中和科技、世界绿色设计等论坛,为新质生产力发展注入绿色动能。
2025-03-28 03:30
日前,我国自主研制的最大直径盾构机“沧渊号”成功下线,将承担世界最长公路水下盾构隧道——海太长江隧道工程左线掘进任务。大海古称“沧渊”,海太长江隧道横跨长江入海口,全长39.07公里,其中过江隧道长11.185公里,最大埋深超75米,计划于2028年建成。“沧渊号”开挖直径达16.66米,整机总长176米,总重量超5650吨,再创国产超大直径盾构机新纪录。
2025-03-28 04:00
3月27日,国家重大科技基础设施高能同步辐射光源HEPS正式宣布启动带光联调,这标志着HEPS装置建设进入冲刺阶段。HEPS是设计亮度世界最高的第四代同步辐射光源,也是我国第一台高能量同步辐射光源。截至2025年1月,经过多轮束流调试,HEPS储存环束流强度达到40毫安以上,发射度降低到93皮米弧度。
2025-03-28 04:00
3月27日,以“新质生产力与全球科技合作”为主题的2025中关村论坛年会在北京中关村国际创新中心拉开帷幕。来自100多个国家和地区的上千名嘉宾齐聚一堂,共议前沿科技趋势、共享创新思想、共谋发展机遇。
2025-03-28 03:30
近日,国家卫生健康委会同国家市场监督管理总局发布50项食品安全国家标准和9项标准修改单。截至目前,我国已累计发布食品安全国家标准1660项,包含2万多项指标,涵盖全部340余种食品类别。
2025-03-28 04:00
记者日前获悉,自去年10月全球洲际间断分布的5种崖柏属植物全部落户重庆市开州区崖柏国家林木种质资源库以来,科研团队已成功繁育崖柏实生苗30万株,崖柏扦插苗20万株,
2025-03-27 04:00
职业技能培训对劳动者提技增收、缓解就业矛盾意义重大。党中央、国务院高度重视职业技能培训工作,2024年印发《关于实施就业优先战略促进高质量充分就业的意见》,要求健全终身职业技能培训制度。
2025-03-27 05:10
加载更多