遥望南方星辰 南非大型望远镜还没有真正使上劲

来源:南非大型望远镜

为了建造世界上最大的望远镜，技术故障是常见的。最大的问题是如何解决这些失败。

8月30日，南非的好望角辜负了它作为风暴之角的声誉。在港口被巨浪和强风袭击之前，阿塔卡马号货船几乎没有在开普敦找到避难所。风暴平息后，这艘船终于能够安全卸货:一个汽车大小的装置，高分辨率光谱仪。

这是一个恰当的欢迎。因为HRS的最终目的地是大约350公里的内陆，那里是南非大型望远镜的所在地，并且南非大型望远镜已经遭受了许多“风暴”。SALT于2005年正式完工，刚刚完成第二年的常规科学操作。

与平方公里射电望远镜阵列(SKA)一起，SALT是南非努力建立其科学声誉和鼓励新一代非洲科学家的一个重要部分。然而，SALT早期面临的困难暴露了其在设计、施工方法和管理模式上的问题。

SALT的支持者说，这些问题在以低成本建造世界上最大的望远镜时是不可避免的。在HRS到达之前，望远镜的第一个探测器还没有完成。此外，该光谱仪需要经过测试和校准，才能在明年初投入正常运行。然而，南非观察站(SAAO)的负责人泰德·威廉姆斯说，“我们未来面临的挑战是产生好的科学结果”。

前期限制

从1998年计划建造的那一刻起，盐就不再受青睐了——因为SAAO和他的合作者从来没有像北方天文台那样拥有如此多的资金。SALT团队必须找到一种只用300万美元设计、制造和组装11米望远镜的方法。这笔钱只是8.2米VLT或凯克望远镜成本的一小部分。"如果VLT是法拉利，SALT至多是一辆家用汽车."SAAO仪器总监达拉格·奥多诺格说。

此外，SALT的选址也使其处于不利的技术条件下。选择这个位置是因为它完美的夜空和更好的道路和能源条件。自1974年以来，SAAO一直在管理一架1.9米望远镜和其他一些小型设备。

然而，它仅高出海平面1798米，远低于天文标准，所以在望远镜上方总会有一层厚厚的大气层，模糊了即将到来的星光。尽管由SALT拍摄的图像是可以接受的，但它们可能永远不会像位于世界级位置的望远镜所获得的图像那样清晰，比如夏威夷4200米的莫纳基亚山脉。

然而，SALT的位置也让它填补了南部天空观测的巨大空白。当恒星、星系或行星位于现有南半球天文台(主要位于澳大利亚和智利)的地平线或地平线以下时，它们仍在南非的高空。对于像哈佛大学天文学家Dimitar Sasselov这样的研究人员来说，这是非常有利的。“我们经常面临对时间敏感的事件，比如行星的凌日，这使得我们很难确定南半球的观测时间。”萨瑟洛夫说。因此，他认为SALT是其他大型望远镜的重要补充。

意识到他们所面临的限制，SALT的设计者们决定将这台望远镜打造成光谱方面的世界级望远镜。光谱学可以提供关于天体运动和其他领域的丰富知识，但它不需要最终清晰的图像——只需要一面收集大量光线的大镜子。

用非常紧张的预算建造这样一面镜子是非常困难的。SAAO复制了1996年完成的美国麦克唐纳天文台11米宽的爱博依望远镜的节约成本设计。就设备而言，最大的成本节约来自于20世纪80年代夏威夷凯克天文望远镜的一项先进技术:一些六边形的镜子被用来拼接望远镜的镜子，每个部分都被独立加工并运输到建筑工地——这比制造、抛光和运输一面巨大的镜子要便宜得多。

另一个大规模的成本降低来自于球面镜的使用。虽然球面镜不能清晰地聚焦星光，但这需要一种稍微不同的形状，叫做抛物面。然而，抛物面更加复杂和昂贵，并且每个部分的曲率需要根据其位置而不同。球面镜的零件完全相同，这意味着SALT的91个镜子单元可以相对便宜地大规模生产。此外，在光进入检测器之前，不完美的焦点可以通过球面像差校正器(SAC)来校正。

成像噩梦

然而，随着SALT逐渐成形，其设计者决定改进SAC和其他部件的设计，以获得更好的图像质量，并且这些变化也可以使望远镜具有更大的视野。然而，在2005年完工后，望远镜开始面临自己的问题。

最严重的问题是，尽管改进了设计，SALT的图像质量仍然很差。恒星通常看起来很脏，或者在它们的主光学相机——萨尔特坎和罗伯特·斯塔比分光计——拍摄的图像上被拉长了。然而，在少有的没有明显原因的日子里，这些照片是完美的。

为了解决这个问题，SALT团队花了几年时间。研究人员怀疑第一个可能的罪魁祸首是SALT的主镜。他们想知道这些反射镜元件中是否有一些不完全一致，这使得他们无法以要求的精度将光发送到SAC。然而，他们可能需要9个月的时间来测试这些组件，并挑选出可能导致图像质量问题的镜子。

之后，团队有了第二个猜测:改良的SAC。它还包括一个直径约半米的辅助镜，需要达到微米精度。但是检查和测试这些镜子需要一年多的时间。

最后，研究人员发现了问题:SAC与望远镜的连接方式有问题。支撑结构由金属制成，它会随着温度的变化而膨胀和收缩，这将影响SAC的校准并解释每天的变化。此外，望远镜仪器的重量在设计过程中会增加。这些导致原来的设计无法保持SAC的正确位置。

SAAO的接待员菲尔·查理斯指出，在理想的情况下，SALT应该预见到这些问题。然而，现实世界受到金钱和时间的限制。他们只是假设HET的设计是正确的。"我们现在知道海泰已经遇到了盐遇到的所有问题."查尔斯说，“他们的基本图像质量很差，但你看不到隐藏的机械设计问题。”

直到2010年8月，一个新的、更好的支撑结构被安装在SALT上，成像噩梦才结束。

“色盲”设备

考虑到过去的曲折历史，人们不会感到惊讶。研究人员对HRS的到来和组装感到紧张。组装团队很快发现用于捕捉和分析蓝光的“蓝色照相机”有问题。英国达勒姆大学的光学专家于尔根·施莫尔说，事实上，HRS的一只眼睛是瞎的。施莫尔从南非的建筑工地(达勒姆大学)带着这个装置来到南非。

研究人员发现，在运输过程中，装有探测器芯片的三个金属球中的两个变松，芯片倾斜。最安全、最慢、最昂贵的方法是将摄像机移到开普敦的一个干净的房间，并邀请达勒姆大学的技术人员重新连接球。然而，研究小组最终决定就地解决这个问题。这是一项艰巨的任务，因为在处理过程中进入相机的任何灰尘都可能成为这种敏感探测器的“永久装置”。

9月22日，SALT团队宣布手术成功。一旦HRS明年投入运行，SALT团队希望它能在恢复望远镜的全球声誉方面发挥重要作用。例如，HRS应该非常善于发现恒星光谱的细微变化，这表明它正被一颗系外行星所包围。

然而，加拿大国家研究委员会的天文学家丹尼斯·克拉布特里指出，为了成为世界级的玩家，SALT仍然需要提高它的生产力。克拉布特里一直在密切关注3.5米以上望远镜的科学输出。他说:“由于最初的问题，SALT处于相当沮丧的状态，这也使得科学论文的产出很低。”

SALT能避免这些问题吗？美国双子座项目建设阶段的负责人马特·芒廷(Matt Mountain)表示，可能无法避免所有这些问题。在建造世界上最大的望远镜时，技术故障是常见的，但是他说最大的问题是如何解决这些故障。(张张)

中国科学新闻(2013-104第三版国际版)