天文望远镜，什么时候才能“便宜又大碗”？

出品：科普中国

作者：海里的咸鱼（中国科学院长春光机所光学硕士）

监制：中国科普博览

第一眼太空

早在新石器时代，古人就在一些洞穴和石头上画出了月相和星座等图案。从那时起，人类开启了求知的旅程中最宏伟、最振奋人心的部分——探索宇宙。古代，天文学家们通过肉眼观测宇宙，将星星分为若干个群组，并赋予他们特定的名称，也就是现在人们熟知的星座；还建立了星等系统来衡量星星的亮度；人们还通过观察太阳、月亮和星星的位置和运动，来划分出24节气指导农耕和生活。

17世纪初望远镜出现后，人类观测宇宙的能力极大提高，同时也推动了人类对日心说理论的接受程度。16世纪的天文学家布鲁诺因为支持日心说而被处以死刑，如果在布鲁诺生活的时代已经发明了望远镜，可能会有更多人支持他。

17世纪早期的望远镜

（图片来源：wikipedia）

太空观测的竞赛

望远镜的发明解决了从0到1的问题，接下来就是不断提高它的性能。评价望远镜的性能，有一个关键指标——口径。口径即是望远镜主镜的直径。口径愈大，望远镜能够收集的光线就越多，观测到的天体就更加明亮、清晰。

举个例子，当用肉眼直接观察恒星时，它往往显得暗淡模糊。借助望远镜观测则能够发现恒星变亮了，细节也丰富了许多。这是因为望远镜的口径远大于人眼瞳孔的直径（黑暗条件下，瞳孔直径约为8mm），相比肉眼能够收集到更多的光线。

1671年，牛顿发明了反射式望远镜，它使用反射镜替代透镜，能够获得更加清晰的图像，同时视野也更加广阔。有了努力方向，众人在追求大口径望远镜的道路上狂奔。威廉-赫歇尔（William Herschel：1781年借助望远镜发现了天王星）在1789年制造出了直径达1.26米的望远镜；乔治·埃勒里·黑尔在约翰-胡克、安德鲁-卡耐基等人的资助下建成了直径达2.5米的胡克望远镜，埃德温·哈勃 (Edwin Hubble)利用胡克望远镜观察宇宙，得出了两个改变了科学界对宇宙的看法的结论：银河系之外还有星系，宇宙一直在膨胀。

威廉-赫歇尔制造的1.26米直径的望远镜

（图片来源：wikipedia）

胡克望远镜,直径2.54米

（图片来源：wikipedia）

到了现代，大口径的望远镜更是如雨后春笋般涌现。1948年建成的海尔望远镜直径5.08米；1993年建成的凯克1望远镜直径10米；2007年建成的GTC望远镜直径高达10.4米，是目前世界上最大的光学望远镜。

GTC望远镜，直径10米

（图片来源：Flickr/Pedro José Luengo Rarmírez）

望远镜强大性能的背后，是高昂的成本

大口径望远镜推动了天文学的发展，拓展了人类对宇宙的认知。然而，有一个问题始终伴随着大口径望远镜——成本。建造一台大口径的望远镜，实在是太贵了。威廉-赫歇尔制造的直径1.26米的望远镜，资金来源于皇家的赞助，赫歇尔花了五年的时间才将其制造完毕，并且超出了预算。

近代及现代的大型望远镜多是依靠一个或几个国家的资助而建成，凯克1望远镜建造成本约为8.7亿美元，GTC望远镜的建造成本则高达14.7亿美元。这些望远镜的使用对象基本都是专业的天文研究机构，对于多数人而言，所能够接触到的天文望远镜多为15厘至30厘米口径的天文望远镜，它们的价格在几千至几万元之间。但是直径为50厘米的天文望远镜，价格却已经飙升到了接近40万元。

不同口径望远镜观察下的土星

（图源：NASA、hubblesite）

就像上边这幅图片所展示出来的，望远镜的口径越大，所能够观察到的土星细节越多，10厘米口径的望远镜无法观察到土星环中的卡西尼缝(土星环中的那个缝隙)，20厘米口径的望远镜则可以清晰分辨，2.4米口径的哈勃望远镜则能够清晰拍摄土星环带的细节分布。这也意味着，在观察其他天区时，望远镜口径越大，分辨能力越高，所能够观测到的星星就越多。

薄膜望远镜，另辟蹊径

亲眼目睹闪烁的恒星胜过屏幕上展示的任何星系图片。如果存在一个具备大口径且价格亲民的望远镜，那一定是薄膜望远镜。正如它的名字提到的，薄膜望远镜中的镜面不是由金属或玻璃制成，而是由一张反光的薄膜构成。如何利用薄膜做反射镜面呢？用一个简单的小实验来解释，把矿泉水瓶的平底切掉后蒙上一层保鲜膜或其他有弹性的薄膜，然后对着瓶口吹气或吸气，到这里，你已经掌握了制作薄膜反射镜的原理。向瓶子呼气或吸气时，保鲜膜会因矿泉水瓶内外气压差，而被弯曲成一个凹面或是凸面。

除了利用气压来控制薄膜的形状外，还能利用静电来控制薄膜的形状。在冬天的时候，人手上所带的静电能吸引头发立起来，同样地，利用静电去吸引薄膜，也能够让薄膜变形成我们所需要的形状。

图片：静电控制的薄膜反射镜

（图片来源：参考文献2）

在上个世纪60年代，美国发射了一个直径高达30米的充气卫星Echo-1号，它就好像一个大型的反光气球，这是薄膜反射镜最早的工程应用。但由于当时的技术限制，这颗“大气球”的实际表面形状并没有达到人们的预期，不过它的存在为后续一系列薄膜反射镜的研究奠定了基础。经过了几十年的发展，美国的波音公司、NASA，中国科学院长春光机所、苏州大学等研究机构都已经掌握了薄膜望远镜的加工制造技术。目前薄膜反射镜已经能够用于光学成像。

采用薄膜望远镜拍摄的月面图像

（图片来源：参考文献3）

未来是美好的，道路是艰辛的

利用薄膜反射镜来制作天文望远镜，主要的成本不再是薄膜反射镜本身，而是控制薄膜形变的配套机构。静电或气压控制薄膜形变的机构本身需要足够精密，能够保证薄膜弯曲为理想形状，同时还需要反应足够快，柔性的薄膜反射镜很容易受到外界的影响，空气的流动甚至温度的变化都会改变薄膜的形状，因此一个灵敏精确的面型控制机构以及配套的控制算法是薄膜反射镜性能好坏的关键。

算法本身虽然复杂，但是算法的复制以及大规模应用的成本却相当低。保守估计，一个口径约半米的薄膜反射望远镜成本大约能够控制在一万多元，这一价格足以让许多老百姓能够买上一台，为大家提供一个窥见地球外世界的窗口。

参考文献：

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[6] GTC望远镜官网