光学干涉望远镜阵列或迎来发展新机遇—新闻—科学网

 
作者:晋楠 来源:中国科学报 发布时间:2018/7/19 8:59:39
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小镜面“拉手”办大事
光学干涉望远镜阵列或迎来发展新机遇

 

7月,一个光学干涉仪的10个直径1.4米望远镜之一将观测天穹。

图片来源:M. COLLEEN GINO/《科学》

与当天文学家用直径达30米的镜面建造的价值数十亿美元的望远镜相比,今年7月在美国新墨西哥州南巴尔迪山顶安装的直径1.4米的天文仪器似乎有点像是“儿戏”。但在接下来几年,另外9架相同的望远镜将会与它在这个海拔3200米的覆盖着绿色植被的山顶会合,形成一个“Y”字形的阵列,从而在细节观察上超过任何其他光学望远镜。当其在2025年前后竣工时,这个耗资两亿美元的马格达莱纳山脊天文台干涉仪(MROI)的分辨率将可以与直径为347米的巨型望远镜相媲美。

MROI的小型望远镜阵列不能与其大规模“表亲”的聚光能力相匹敌,因此它将局限于明亮的目标。但通过结合分散的望远镜发出的光,它有望辨认出恒星表面的小型结构,对新生恒星周围的尘埃成像,并观测到一些星系中心的超大质量黑洞。它甚至可以辨认出地球同步轨道(距离地球36000公里的高空)上厘米级的细节,从而侦察间谍卫星。

美国空军希望能够监控本国和其他国家的轨道资产,这正是其资助MROI的一个原因。MROI项目科学家、新墨西哥矿业与技术研究所天文学家Michelle Creech-Eakman说:“他们想知道轨道探测器是吊杆断裂了,还是部分光伏板崩溃了?”如果该设备成功,其最大的影响可能是在天文学领域,它将引起人们对光学干涉量度法前景的新关注,这是通过相对较小的、廉价的望远镜提取精细清晰图像的强大但富有挑战性的策略。

但MROI却像光学干涉测量技术自身一样进展缓慢。美国海军从2000年开始为该设施提供资金,但随后对它失去了兴趣,并于2011年撤出。该阵列除了前三架望远镜之外,空军的支持尚不确定。“如果它们出于某种可怕的原因失败了,那将是我们所有人的灾难。”高角分辨率天文中心(CHARA,由6架直径1米的光学望远镜组成的位于加州洛杉矶威尔逊山顶的阵列)副主任Theo ten Brummelaar说。

射电天文学相对比较容易。其较长的无线电波意味着来自不同蝶形天线的数据可以被记录下来、进行数字化并用原子钟计时,然后再综合起来进行分析。但光学干涉技术要复杂得多:可见光波长较短,并以太赫兹频率运行,尚不能被任何电子系统数字化。因此,其光线必须以纳米精度实时融合。

20世纪90年代,光纤、激光和计算机的发展让凯克天文台的两架直径10米望远镜(相距85米位于夏威夷莫纳基亚山顶)可作为光学干涉仪被使用。但该系统至少需要美国宇航局(NASA)资助的另外4台“悬臂”望远镜才能充分发挥作用,而悬臂在2006年已被取消,因为夏威夷土著居民认为莫纳亚克山山顶是圣地,因此抗议该设施。亚利桑那州弗拉格斯塔夫附近的海军精密光学干涉仪(NPOI)首席科学家Gerard van Belle说:“干涉技术在NASA仍然是一个黯淡的词汇。”

路易斯安那州立大学天文学家Tabetha Boyajian说,许多天文学家忽略了光学干涉技术近来的成就。她曾用CHARA进行过恒星规模调查。她说,天文学家在了解了这项技术的潜力后会感到惊讶。“你会听到,‘哇,我如何把它用到我的科学研究中?’”她说。

CHARA和其他光学望远镜阵列已经对快速旋转的恒星被挤压的形状进行了成像,捕捉到恒星表面移动的太阳黑子,拍摄到双星伴星交换物质的过程,并实时观察了围绕银河系中心黑洞旋转的物体。在连接了智利阿塔卡马沙漠超大望远镜(VLT)的4台直径8.2米的望远镜之后,欧洲南方天文台的研究人员去年在距离地球530光年之外的恒星表面发现了沸腾的对流单体。一种新红外仪或能使干涉仪对正在形成行星的其他恒星周围的温暖尘埃盘进行成像。

尽管之前遇到过挫折,NASA仍在支持由亚利桑那州格雷厄姆山顶大双筒望远镜的两个直径8.4米的镜面构成的干涉仪。今年,那里的科学家宣布他们用干涉测量技术发现,很多年轻的恒星系包含的尘埃比预期少,这对于想直接给系外行星成像的天文学家来说是个好消息。

一旦完工,MROI的望远镜将比任何其他干涉仪的分布都更广泛,从而使其具有更高的分辨率。它还将测试结合来自多个望远镜的星光的新技术,从而简化这一过程。如果它能达到预期,该天文台将可以在未来10年的评估中让光学干涉技术大幅提升。到2030年10年调查时,CHARA成员、安阿伯市密歇根大学物理学家John Monnier希望,行星形成成像仪(一个由12架望远镜构成的1公里基线的光学干涉仪)能够获得稳定的支持,从而通过它了解年轻恒星的尘埃盘,以及新生行星的尘埃盘。

到那时,NASA也将为发射太空光学干涉仪做好准备。2007年,该机构放弃了“类地行星发现者”计划,这是由4架望远镜构成的一个轨道阵列,旨在对其他恒星周围的行星进行成像。现在,该机构或许更容易接受空间干涉仪,因为类似6.5米高的詹姆斯·韦伯太空望远镜(将于2021年发射)等巨型太空望远镜会对运载火箭的载荷造成压力。

“在某种程度上,(干涉测量)是我们解决天文学前沿最紧迫问题的唯一途径。”Van Belle说。(晋楠编译)

 

《中国科学报》 (2018-07-19 第3版 国际)
 
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