最棒的望远镜

这是我担任《Discover》（中文版）特约翻译时翻译的文章。

最棒的望远镜

位于威尔逊山顶的一个强大的、新型的，甚至多少有点奇异的由六个小望远镜构成的集合体即将永远的改变我们对星辰所持的观点。

作者：威廉姆・斯彼得・维德（William Speed Weed）

摄影：艾米・埃科特（Amy Eckert）

译者：陈冰

高角分辨率天文学中心（Center for High Angular Resolution Astronomy―其缩写为CHARA）阵列经由一个精心设计的管道系统从六个单独的望远镜中收集星光。两个直径八英寸的真空管从W2（一对西向望远镜中的一个）上伸出。中央的管道运送来自W2的星光；左边的管道运送来自W2的距离更远的孪生兄弟W1的星光。从所有的望远镜中收集到的光束最终将汇集到中央光束合并实验室。

 

当日落的微光笼罩着洛杉矶近旁的威尔逊山5700英尺的山顶时，哈罗德・麦卡里斯特（Harold McAlister）追溯着已故天文学家埃德温・哈勃（Edwin Hubble）的足迹开始了他凝视星辰的夜晚。在二十世纪二十年代的一个又一个的夜晚，哈勃就是沿着这同样的林木线小道，一次又一次的登上山顶，用他那100英寸的胡克（Hooker）望远镜―当时世界上最先进的望远工具―扫视天空的。哈勃所看到的是一个远远延伸到银河之外的，由许多正在以极高的速度彼此飞离的星系组成的奇异的宇宙。这一发现最终导致了那个被称为宇宙大爆炸的关于万事万物的起源的非凡理论。此刻，在事隔80多年后，麦卡里斯特在这条小路上停下了脚步，他用崇敬的目光注视着那架在巨大的白色圆顶保护下的著名的老望远镜。“这个100英寸的工具比他们后来称之为哈勃的太空望远镜要重要的多”，他说。“它是20世纪最重要的望远镜”。

 

然后，这位乔治亚州立大学的教授低下头继续前进。今夜山岳上空的星星明亮而充满活力―这对于他这样一个要用一种为扫视宇宙而全新设计的机器来凝望群星的人来说是个好机会。绕到年老的天文台的后面，他进入了一个长长的标记有光束合并实验室字样的波纹钢板的建筑物，并最终到达了光学干涉仪的神经中枢，这是一个横跨整个山顶的离散分布的由六个常规望远镜、3100英尺的光管和20台计算机组成的革命性设备。它有希望把威尔逊山的声誉从一个著名的老望远镜的保管人转变为新的极其重要的天文学中心。这是全世界正在建造中的半打干涉仪中最大的一个。它被称为高角分辨率天文学中心（CHARA）阵列，它能够以难以置信的清晰度检视太空―这比此前最好的单反望远镜的表现还要出色50倍―这预示着夜空将被带入前所未有的锐利聚焦。例如：CHARA能够把镜头瞄准月球上一个像人那么大点的被照亮的对象。“如果那个人正在驾驶一辆汽车的话”，麦卡里斯特说，“我们可以把两盏前灯区分开来”。

 

更为重要的是，CHARA能够把一颗星星同另一颗星星区分开来。这种说法听起来可能很古怪，但要知道大多数的星星即使在最大最先进的常规望远镜的视野中看起来也和用普通肉眼直接观测的结果几乎一样―它们只有极其微弱的光芒，尺寸小到无法测量且颇具欺骗性。光谱分析揭示出这些极小的点中的大多数都很可能是两颗星星―双星―或者甚至是更多的星星：例如，双子星座中的北河二看起来像是一颗单个的星星，但实际上它是彼此围绕的六个舞动的火球。像我们的太阳这样的独奏者只是个例外，而绝非惯例。

 

不久以后，干涉仪将帮助天文学家们领悟星星们为什么会聚集在一起的原因，以及当它们上了年纪后其行为会产生怎样的变化。最终，这些课程将在我们的太阳系中开讲，告诉我们我们的太阳在过去的岁月里看起来是怎样的，并揭示出我们可能会面临来自它的怎样的威胁―多半是巨大的太阳耀斑，或是周期性的变暗从而引发冰河时代。干涉仪将以新的方式解放天空：“我们将能够测量成千上万颗过去无法测量的恒星的尺寸”，麦卡里斯特说。

 

干涉测量法也很可能为行星猎手带来实惠。假如CHARA如我们期待的那样能够探测到围绕双星的单独的行星的话，那么，太阳系之外的行星普查将迅速增长。更多的行星将被发现，找到能够支持生命存在的行星的机会将进一步得到提高。搜寻地外行星可能是哈勃在80多年前开始于这里的梦幻般工作的最终实现。“100英寸的望远镜允许我们思索，宇宙的浩瀚和古老足以令许多其它的文明存在其中”，威尔逊山学会的理事罗伯特・加斯卓（Robert Jastrow）这样说道。“通过为我们自己的未来仔细的检查群星，CHARA将为威尔逊山赢回属于它的荣誉”。

 

圆顶庇护下的这架100英寸的胡克望远镜，在80多年前使埃德温・哈勃第一次看到了那些河外星系，而如今，它依然居高临下的矗立在威尔逊山的山顶。这架值得尊敬的望远镜现在有了一个自适应的光学系统，它能自动纠正由大气中不均匀的热量分布所导致的扭曲。从左边数起的两个小的圆顶是W1和W2―CHARA的西向望远镜―有着平坦屋顶的建筑是光束合并实验室。

麦卡里斯特走进了光束合并实验室中的一个无尘室并迅速的将无菌鞋套在了他的鞋上。在无尘室里，CHARA的副主管西奥・腾・布拉姆勒（Theo ten Brummelaar）正在一个精密光学反射工作台前忙碌着，来自CHARA的六个分散的望远镜中的光波在这里被合并。疲倦的眼睛配着一张未刮过的脸，腾・布拉姆勒已经与棘手的刻度校准问题斗争了数月，势必要使所有六道光束在同一时刻汇集到同一个点上―这是使干涉测量法能够正确工作的关键。

 

相反，制造更好的常规望远镜的关键是建造更宽广的镜面。但无论是常规望远镜还是干涉测量望远镜，它们的运作都是基于一个不那么直观的原理的。当提到观察事物的细节时，两种望远镜的能力都会随着它们的基线尺寸的增大而加强。基线是指从望远镜的一边到另一边的直径；当基线增大时，望远镜的角分辨率就会相应的增大。镜面的面积不是影响清晰度和细节的关键。两个小的镜面，一个紧挨着另一个基线的末端，则它们能够同一个横跨整个开口的大镜面工作的一样好。因此，科学家们开始寻思着把独立的镜面分散放置的更远一些，收集它们的光束，并把来自每一个望远镜的独立的光波合并起来。这个想法在19世纪初由诺贝尔奖获得者天文学家阿尔伯特・迈克逊（Albert Michelson）推广开来。

 

迈克逊拿出一条黑色布带并在它上面剪出两个狭长的切口，这样当他把这条布带遮罩在他的望远镜的12英寸的镜头上时，只有两条狭长的玻璃缝会露出来。他把他的带了面具的望远镜指向木星的卫星。由于面罩的关系，这颗卫星看起来黯淡了许多，因为只有很少的光被收集进来。但迈克逊发现仅仅两个很小的光采样就能够得到与一个完整的12英寸的镜头同样的角分辨率。并且，借助这一粗糙的工具，他能够测量出这颗卫星的直径。

 

“角分辨率的一切关键所在是基线的长度”，麦卡里斯特看了一眼挂在控制室墙上的CHARA的建筑图时说到。鸟瞰图展示出六个小望远镜以Y形编队分布于山顶，每一个都把它收集到的星光经由真空管输送到光束合并实验室。适用于迈克逊的12英寸基线的两孔干涉仪的原理，同样也适用于CHARA―一个1080英尺基线的巨大的六孔干涉仪，麦卡里斯特这样说。但同时，西奥・腾・布拉姆勒迅速的指出，这里有一个阻碍―我们必须找到如何来同步来自六个不同望远镜的光波的方法。这需要尖端的光学设备、超高速的计算机，和从零开始的新的工程学发明。

 

 

上图：汇集，CHARA的六个望远镜组成了一个拥有极大光圈或说基线的光的收集设备，它的光圈等于两台观测仪器之间的最远距离：1080英尺。Y形的布局允许天文学家们为不同的观测改变光圈的大小。

 

下图：要使干涉仪能够正确的工作，由分散的望远镜收集到的星光必须在同一时刻击中检测器。为了补偿星光旅行到望远镜2 所走过的额外的距离，由望远镜1 收集到的星光被精确的转入延迟线上一段同样的距离。

 

绘图：马特・赞恩（Matt Zang ）

 

在一架常规望远镜上，无论光击中了镜面的何处，镜面的弯曲的形状都能够保证光从一颗恒星旅行到望远镜的检测器的距离是相等的。在迈克逊的遮罩实验中，曲面的镜头把来自每一个孔的光顺着两条同样长度的路径发送到目镜，因此这两条光束是同时抵达的。

 

使用CHARA，来自六个独立望远镜的星光必须穿过一个由镜面和管道构成的高度复杂的网络，这个网络最终通向控制室中计算机管理下的检测器。这每一份单独的小光波必须相聚于检测器，并且彼此之间要把对方视为自己的孪生兄弟，就像同一束光波的不同部分。麦卡里斯特说。“如果它们不能精确的在同一时刻到达，那么你将什么都看不到”。毫无疑问，来自相距数百英尺且与检测器之间距离不尽相同的望远镜的光束并不会倾向于汇集于同一时刻。更糟的是，假如麦卡里斯特观测一颗西方天空的星星，那么，它的光旅行到六台望远镜中最西边的那台望远镜的距离必定会比它到达最东边的那台望远镜的距离短上那么微乎其微的一点。除此之外，还有许多微妙的问题需要解决，例如，极其微小的振动就可能使一台望远镜升高一个几乎觉察不到的一英寸的几分之一，从而使这台望远镜比另一台望远镜更接近某颗星星。

 

腾・布拉姆勒所面临的挑战是要预见这些光程长度的差异并精确的延迟那些早到的光束。这一工作由“延迟线”来完成，它可以把镜面沿着轨道在160英尺长的范围内进行移动来增加或减少每一台望远镜的光程。来自每一台望远镜的光束经由一些已经被抽成真空的管道抵达合并实验室。在实验室里，每一个光束都会击中一系列的镜面，然后被转移到一条延迟线上，在那里，光束会在一个位于轨道一端的镜面和另一个安装在小推车上的镜面之间弹来弹去。一台计算机会把这台小推车以纳米（十亿分之一米）级精度沿着轨道进行距离定位以延迟光束，从而使它与来自其他望远镜的光束在同一时刻经由通道抵达检测器。小推车距离墙上的镜面越远，则延迟也就越长。“在一束光完成了整个星际旅行之后，我们却不得不对它进行纳米级的校对，这听起来即荒谬又可笑”，麦卡里斯特说，“但我们做到了”。

光束合并实验室的内部：

 

 

（A）CHARA的主管哈罗德・麦卡里斯特，左，和站在光学延迟线中间的站点管理员，在这里，安置在50码长的轨道上的由计算机控制的小推车被用来把来自阵列上每一台望远镜的光所走过的距离补偿到一个比一英寸的百万分之一还要高的精度。

 

 

（B）当一个直径五英寸的光束离开延迟线时，它会被导向穿过一个有效区域，这将使光束被减小至四分之三英寸

 

 

（C）一个光束合并将把来自分散的望远镜的光聚集到一起。“这是魔法发生的地方”，麦卡里斯特说。

 

 

（D）技术经理史蒂夫・瑞治维（Steve Ridgway）注视着CHARA的副主管西奥・腾・布拉姆勒开启计算机，这台计算机控制着六台望远镜中每一台的运作，以及合并实验室中所有的设备。

 

当腾・布拉姆勒对所有这些光学设备的同心性感到满意之后，他和麦卡里斯特关了灯，走进隔壁一间塞满了可折叠的工作台、旧办公椅和计算机设备托架的房间。在两台超大型计算机监视器前，腾・布拉姆勒挨着麦卡里斯特坐了下来，并在键盘上敲击出一些指令。数百码之外，越来越深的夜色中，望远镜升起打开了。在光束合并实验室里，延迟线和可移动的镜面在黑暗中调整着以同步来自分散望远镜的星光。

 

今夜天文学家们仅利用两台望远镜，使它们指向那些大的邻近的恒星，这些恒星的直径已经用更小的干涉仪测量过。在他们能够放大那些不可测量的恒星之前，麦卡里斯特解释说，他们必须用那些其直径已知的恒星来校准CHARA。腾・布拉姆勒用两台望远镜瞄准着，一颗巨大的白色恒星出现了，在左侧的屏幕上跃动着。“它的跃动是由于大气所导致的，就像你的眼睛看到星星是闪烁的一样”，腾・布拉姆勒说到。“但这个画面不是我们所要寻找的数据”。

 

相反，他和麦卡里斯特所要寻找的是来自两台望远镜的同步相聚于检测器的光波的一个复杂的“条纹”尺寸，或说干涉图案。他们已经对系统编制了程序以便以图表形式描绘这些条纹，条纹突然之间在屏幕上紧靠着跃动的恒星出现了。在大量的数字捣弄之后―这一工作将在随后整个白天的数小时中进行―图表将展示出这颗恒星有多宽广。

 

令人吃惊的是，天文学家们使用常规望远镜已经不能够确定绝大多数恒星的即使是最基本的尺寸，对它们的表面的外部特征的研究则更少。我们对恒星的了解中的绝大多数都来自对仅有的一个―我们的太阳―的近距离分析。而且即便如此，我们知道的也少的可怜。恒星天文学，麦卡里斯特说到，“目前的情况就好像要做社会学研究，却只有一个人可供研究，用对一个对象的一个实验来得出广泛的彻底的结论。真的，我们的确不知道：我们的太阳究竟是一个令人毛骨悚然的撕裂者杰克（Jack the Ripper）（译者注：“撕裂者杰克”是英国连环杀人案的凶手）那样的人物，还是一颗如祖母般和蔼平凡的恒星”？

 

首要的任务是要测量出恒星的直径以便进而测量出它们的温度。“温度是天

文学中丢失的一环”，麦卡里斯特说。“温度可以告诉我们一颗恒星其内部看起来是怎样的，它是如何工作的”。一旦他利用CHARA确定了一颗恒星的直径，麦卡里斯特就能够搜索它全部的能量输出（这可以通过常规望远镜获得）并推导出它的温度。对于腾・布拉姆勒而言，要获得一颗恒星的“条纹”并测出它的直径只需要花费几分钟的时间。不久，他将能够飞快的掠过星空，以前所未有的每晚100颗恒星的速度进行测量。“它将彻底的改变天文学领域”，耶鲁大学的天文学教授查尔斯・贝伦（Charles Bailyn）这样评价。这些是最基本的测量，是其他一切事物依赖的基础。

 

理解恒星的下一步是更近的观测它们―偷窥那些隐藏在其直径内部的秘密。一旦麦卡里斯特使用几对望远镜获得了一颗恒星的尺寸之后，他就可以使用这一数据来创建出这颗恒星表面的图像，并了解其他的恒星是否也像我们的太阳那样拥有耀斑和黑子。“没有令人满意的理论就太阳的举止为什么会是这样的给出解释”，麦卡里斯特说。这些由太阳引起的磁暴加速了今天地球上的全球变暖，而他的广泛的测量将能够显示出耀斑和黑子是否在其它恒星上也是普通存在和不断发生的，是否它们也会周期性的来来去去，比如说以每一千年为一个周期，或者是否我们的太阳能够拥有这些完全是个例外。

 

我们已经知道我们的太阳的生活是相当孤单的。配备有光谱仪的常规望远镜已经确定大约三分之二的恒星都是双星系统。尽管这些望远镜能够“看到的”只是一个小光点，但一个双星所发出的信号在光谱图上的表现却是一个周期性的多普勒变化。在恒星的彼此围绕的半个轨道期间，以我们的视线来看，这对恒星中的一颗恒星正在朝地球运行，在光谱图上它的光会发生蓝移。另一颗恒星则正在远离我们，它的光会发生红移。一段时间之后，随着恒星彼此的环绕，第一颗恒星开始远离我们，即红移，与此同时，另一颗则会朝向我们运动，即蓝移。

 

“双星一直以来就被称为天上的害虫”，麦卡里斯特开玩笑道。这是因为当通过一台能够剥去其他恒星的尺寸伪装的常规望远镜观测它们时，两颗星星看起来就像一颗星星。“但CHARA”，麦卡里斯特的脸上流露出幽默而轻蔑的欣喜，“对害虫有高度的敏感”。他计划了一个宏大的双星普查，测量它们的质量、直径、温度，以及分开的距离和每一对的轨道姿态。这些数据将帮助理论家们悟出为什么大多数的恒星都是以多星形式构成的，而与此形成对照的是，为什么我们的太阳的构成如此的孤单。借助CHARA，我们对恒星演化的理解将明显的改善。

 

同样会得到改善的是我们对行星的理解。近几年来所发现的100颗太阳系以外的行星都属于那些单个的恒星或分开的距离很远的双星。常规行星的探测使用与常规双星的探测同样的光谱仪技术―光波中一个循环往复的多普勒变化―而且你无法同时对双星和行星进行搜索。信号会发生混乱。

 

但这些事情不会CHARA身上发生。麦卡里斯特的计划是扩展他的双星测量，以便他每隔几个月就再次拜访某个双星系统，每次拜访都对双星的间距进行测量。当一个双星系统中没有行星时，麦卡里斯特将看到两颗恒星平滑的彼此绕圈，就像一对优雅的华尔兹舞者随着时间的流逝完美的旋转。但一颗黯淡的行星的存在将搅乱这一平滑的运动，这就像一只淘气的猴子在舞者中一个或两个的脖子上绕圈。如果麦卡里斯特观测到一个双星系被某些他无法看到的东西以这种方式所拉扯的话，“我们将召开一个新闻发布会”，他说，因为这意味着他们已经在紧密的双星系统中发现了一颗行星，一个革命性的发现。

 

加州大学圣克鲁斯分校的从事轨道动力学研究的天文学家格雷格・拉夫林（Greg Laughlin）表示最新的计算暗示“在双星系统中有大量的空间，理论上，你可以在这些空间里放置适当的稳定的行星”。基于牛顿的运动学定律，借助计算机的模拟，研究人员们已经发现你可以让一个双星系统中一颗行星围绕两颗恒星飞行，只要这颗行星到这两颗恒星的距离比这两颗恒星之间的距离大出至少三又二分之一。或者你可以让一颗行星只围绕一颗恒星飞行，只要这颗行星的飞行轨道不大于两颗恒星之间距离的三分之一。“几乎任何一个你能够想象到的恒星系统都能够拥有稳定的行星轨道”，拉夫林说。“其中一些可能拥有适于居住的行星轨道”。

 

但在CHARA和其他新式的干涉仪完全运作起来之前，这些还只是科学家们用纸笔演算出的可能存在的事物。“我无法向你表达我已经等待这样的东西出现有多久了”，当今行星发现领域的国王，加州大学伯克利分校的天文学家杰夫・马赛（Geoff Marcy）这样说到，迄今为止，他已经发现了70颗太阳系之外的行星。作为NASA起源计划的首席科学家，查尔斯・贝驰曼（Charles Beichman）承担着在宇宙中发现生命的任务，他对用干涉仪发现行星同样怀着极高的期待：“如果我们发现双星系统普遍拥有行星的话，我们将使宇宙中的行星数量翻番。借助这些超高量级的分辨率，我们正在步入天文学的黄金时代”。

 

 

光束合并实验室
中的真空转向盒把来自Y 形CHARA 矩阵中的六台望远镜的经由管道引入的星光变为平行光束，然后这些平行光束被反射到光学延迟线中。

 

在又一个调整CHARA的夜晚结束时，麦卡里斯特走出光束合并实验室，进入山顶寒冷的空气中。恒星闪烁在哈勃那架老式的已然褪色的但却威严庄重的100英寸望远镜幽灵般的白色圆顶的上空，而此刻，那颗距离我们最近的恒星正在点亮东方的天空。对于麦卡里斯特来说，日出日落唤起一个奇异的想法：“这是寻常的吗”？如果双星拥有行星，而且较之单独的恒星，双星的数量更多，那么或许一天之中看到两次日出才是寻常的呢。

 

麦卡里斯特的工作充满了类似这样的梦幻般的想法，但在威尔逊山上，不同于20世纪20年代埃德温・哈勃透过胡克望远镜第一次看到我们的星系以外的恒星时那样，天文学的黄金时代是在没有嘹亮的号角声与骇人听闻的宣告中演变的。哈勃是一个生命中充满了庄严、重大的宣言的人。与之形成对照的是，麦卡里斯特是一个操纵小事物的精度的人。干涉测量法的时代不是要看的更远，而是要看的更清楚。麦卡里斯特把他的一个又一个的夜晚花在了用镜面来延迟光波，势必要将其定位到一英寸的百万分之一。天文学的黄金时代就是要了解细节与真相。