导读

地基望远镜在尺寸和成本方面长期面临挑战，而空间望远镜虽能规避大气干扰，却受限于发射成本和体积。

近日， 美国夏威夷大学天文学研究所、西班牙加那利天体物理研究所等多单位的研究人员合作，以“Creating ground-based telescopes for imaging interferometry: SELF and ELF”为题发表文章于Light: Advanced Manufacturing。介绍了用于成像干涉测量的地基望远镜技术，有望使地基望远镜的口径远超空间望远镜，并以更低的成本和更快的速度，实现对系外行星前所未有的高精度直接成像，甚至揭示地外文明的存在。这项研究由加那利群岛天体物理研究所（IAC）的LIOM实验室主导，他们正在开发名为SELF（Small-ELF）和ELF（ExoLife Finder）的新一代望远镜。这些创新技术有望重塑我们对宇宙生命的探索图景，在天文学领域具有重要意义。

轻量化镜面与曲率抛光技术革新光学制造

传统望远镜镜面的制造过程耗时且成本高昂，通常依赖于对厚重玻璃进行研磨和抛光。研究团队提出了一种革命性的“曲率抛光”技术，该技术利用薄玻璃受局部应力会变形的特性，通过非接触式方法（如激光、聚合物涂层）精确调控玻璃背面的应力分布，从而实现镜面的精确塑形。这项技术不仅能显著减轻镜面重量，还能保留浮法玻璃在微观尺度上的超光滑表面。这种创新性的光学制造方法，使得未来的巨型望远镜能够采用轻薄、高精度的“火抛光”玻璃，极大地推动了光学制造领域的发展，为建造更大口径的望远镜奠定了坚实基础。图1展示了激光抛光的过程与玻璃表面的干涉测量结果。

图1：玻璃曲面激光抛光过程与结果

张拉整体结构与主动控制构建轻量化望远镜骨架

大型望远镜的制造成本与其质量密切相关，传统刚性结构在保证刚度的同时实现轻量化存在固有难题。LIOM团队引入了“张拉整体”（Tensegrity）结构概念，这种结构由受压的刚性“骨骼”和受拉的柔性“肌腱”组成，能够在最小质量下实现极高的刚度的同时，消除剪切应力。SELF望远镜的结构设计借鉴了这一仿生学原理，采用类似自行车轮辐的张紧薄钢元件，构建了一个伪张拉整体结构，如图2所示，从而大幅降低了望远镜的整体质量。此外，这种结构天然适合主动控制，通过动态张力执行器实现主动刚度，有效抑制振动，确保光学系统的精度和稳定性。这种创新性的结构设计，为建造数十米口径的巨型地基望远镜提供了可行方案，并显著降低了其建造成本和时间。

图2：望远镜中的张拉整体结构

费索干涉与机器学习实现超高对比度成像

寻找系外生命的关键在于将系外行星微弱的光芒从其宿主恒星的耀眼光芒中分离，这要求极高的角分辨率和光度动态范围。SELF和ELF望远镜采用费索干涉（Fizeau interferometry）技术，通过多个子孔径镜面在最终图像平面上实现光束干涉，从而合成一个具有独特衍射图样的望远镜点扩散函数（PSF）。研究强调，通过精确控制每个子孔径的相位，可以动态地在靠近恒星像的位置中创建“暗洞”，极大地衰减恒星衍射光，从而实现对暗弱系外行星的超高对比度成像。此外，研究团队创新性地将机器学习应用于波前测量和校正，通过卷积神经网络实时分析焦平面图像，精确预测并校正镜面活塞、倾斜和倾斜误差，将波前误差控制在纳米级别，确保了干涉成像的精度和稳定性。如图3所示展示了引入机器学习后的结果。这种结合了先进光学设计和人工智能算法的方案，是实现直接成像系外行星的关键创新。

图3：常规瞳孔相位分布和焦平面PSF与监督机器学习后的结果对比

总结与展望：开启系外生命探索新纪元

SELF和ELF望远镜项目代表了地基天文学的重大飞跃，它不仅挑战了传统望远镜建造的极限，更以创新的技术路径，为系外生命探索提供了前所未有的工具。通过轻量化镜面、张拉整体结构、主动振动抑制、费索干涉以及机器学习波前校正等一系列前沿技术的融合应用，LIOM团队正在构建一个能够克服大气干扰、实现超高对比度成像的巨型地基望远镜。目前，3.5米口径的SELF原型望远镜正在建设中，预计2026年在加那利群岛完成。它将作为未来50米口径ELF望远镜的技术验证平台。这项研究预计将极大地推动系外行星成像和表征的进程，并有望在不远的将来，帮助人类直接观测到附近系外行星上的生命迹象，乃至发现地外文明的痕迹。这将是天文学领域的一项重要突破，也是人类探索宇宙奥秘的关键一步。（来源：先进制造微信公众号）

图4：SELF望远镜模型图与控制系统布局

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2025.033