目前最大的單片鏡面光學望遠鏡的直徑大約是多少公尺?要做到更大的鏡面需要用什麼方式? | 知乎問答精選

 

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目前最大的單片鏡面光學望遠鏡的直徑大約是多少公尺?要做到更大的鏡面需要用什麼方式?

2018年07月27日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 10 ℃ 次

【狐狸先生的回答(21票)】:

先下結論,天文望遠鏡按照物鏡可以分為折射望遠鏡和反射望遠鏡兩大類。前者最大可以建造到一米,後者單鏡面可以做到八米,通過拼接技術,現存最大的反射望遠鏡可以到10.4米。下一代籌備建造的望遠鏡可以達到三十米。

折射望遠鏡通過凸透鏡折射聚焦光線。一般天文愛好者用望遠鏡多為這種設計。歷史上最早的天文望遠鏡就是折射式的,由伽利略製造,用手可以持握。因為不同顏色的光線通過玻璃折射程度不同,如果不經過修正折射望遠鏡會容易產生比較嚴重色差。如果用廉價望遠鏡觀測亮天體,有時候會看到天體周圍有綠邊。色差對於短焦比的望遠鏡影響較輕,因此早期人們往往通過增加望遠鏡焦距來減輕問題。這使得折射望遠鏡變得很長,製造難度增加。同時,當折射鏡口徑增大,透鏡會變得很重,其自身的重力也成為扭曲成像的因素。最後,玻璃透鏡造大後,氣泡等小缺陷難以淨除。這類望遠鏡,從事科研工作的,最大的口徑為1米,製造於19世紀末,置於葉凱士天文台,現在已經停止使用。

1900年,巴黎萬國博覽會上還展示過1.25米的物鏡。但其設計主要為了譁眾取寵,基本無法用於天文觀測。

折射望遠鏡的問題人們很早就意識到了。反射望遠鏡的概念因此提出。利用一個凸面鏡反射匯聚光線,人們可以避免色差的問題。雖然反射鏡有自己的像差問題,但相對而言,反射鏡面可以造的更大。牛頓是第一個製造出反射望遠鏡的人(雖然胡克自稱在牛頓之前就造出來了,但據說他總是推脫不肯把自己的成果展示給皇家學會)。但反射望遠鏡真正的大發展要等到18世紀末期,偉大的天文學家赫捨爾兄妹,建造了一系列大口徑反射望遠鏡,其中最大的一個,口徑達到2米反射望遠鏡。赫捨爾用這些望遠鏡發現了天王星,並開展了星雲團普查,測量了銀河系形狀,帶來了天文學第二個大發展時期。下圖是赫捨爾最大的望遠鏡:

傳統反射望遠鏡最大口徑可以到5-6米,如著名的Hale望遠鏡就是5.08米口徑。隨著鏡面技術的進一步提高,現在使用中的最大反射望遠鏡口徑可以到8米,如夏威夷日本的昴星團望遠鏡(下圖),智利歐州南方天文台的甚大望遠鏡等。

雖然題主沒有問,但是還是想提一下,利用拼接技術,人們還可以進一步增加望遠鏡的口徑。現存最大口徑的反射望遠鏡Keck(10m),GTC(10.4m)等,就是利用拼接36面直徑一米多的小鏡面建成。而下一代國際合作三十米望遠鏡更是將極限延展到30米(設想圖見下)。值得一提是,中國國家天文台嚴俊台長已經代表中國天文學研究機構簽署了加入30米望遠鏡聯盟的協議。我國的望遠鏡建造技術有望因此獲得跳躍式的發展。

最後在網上找到一張望遠鏡口徑的信息圖。可以看到不同望遠鏡的口徑。

upload.wikimedia.org/wi

【陳昱光的回答(6票)】:

我感覺現在的回答都沒回答題主的問題。不過好在現在的1L幫我總結了一下歷史,我就略過了。

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分割線過後開始正經答題:

先從前面答案提供的那張wikipedia的圖開始說起。

從這張圖賞可以明顯看到現在製造大口徑望遠鏡的兩個趨勢,一種是鑄造小鏡子,然後多拼接,難點在拼接技術上;一種是鑄造大鏡子,然後盡量避免拼接,難點在鑄造技術上。所以如果題主問現在單鏡面口徑能夠達到多少,我可以毫不猶豫的告訴你是8.417米。仔細一看你就可以發現,上圖中的大雙筒望遠鏡(LBT)、甚大望遠鏡(VLT)、南北雙子望遠鏡(Gemini)、昴星團望遠鏡(Subaru)、以及已經開工建設的LSST和大麥哲倫望遠鏡(GMT)單一鏡面口徑都是一樣的。都是8.417米。從這張圖賞可以明顯看到現在製造大口徑望遠鏡的兩個趨勢,一種是鑄造小鏡子,然後多拼接,難點在拼接技術上;一種是鑄造大鏡子,然後盡量避免拼接,難點在鑄造技術上。所以如果題主問現在單鏡面口徑能夠達到多少,我可以毫不猶豫的告訴你是8.417米。仔細一看你就可以發現,上圖中的大雙筒望遠鏡(LBT)、甚大望遠鏡(VLT)、南北雙子望遠鏡(Gemini)、昴星團望遠鏡(Subaru)、以及已經開工建設的LSST和大麥哲倫望遠鏡(GMT)單一鏡面口徑都是一樣的。都是8.417米。

為什麼呢? @李鎮業 前面的答案已經提到過了,但是不太全面,那就是現在全世界只有亞利桑那大學的MirrorLab(鏡面實驗室)能夠鑄造這麼大的單一鏡面。至於為什麼鏡面實驗室不再鑄造更大的鏡子了,如果你只是想問再大半米難道都不可以麼,那麼原因很簡單,看圖:

這兩個像飛碟一樣的東西,就是MirrorLab裡融化玻璃用的「鍋」。上面的那張是鍋蓋,下面的是鍋底。MirrorLab在鑄造鏡面時的第一步就是把碎玻璃整齊的碼放在這口鍋裡,然後加熱旋轉。這樣轉個幾星期再冷卻,冷卻後的鏡面形狀就是拋物面(普物力學應該都算過),這樣大大減輕了後面磨鏡拋光的工作量。而你要問我這根單鏡面口徑有什麼關係,關係就是,這口鍋的內徑就是8.417米,所以除非你換口鍋,否則當今望遠鏡的單鏡面口徑最大就是8.417米。這兩個像飛碟一樣的東西,就是MirrorLab裡融化玻璃用的「鍋」。上面的那張是鍋蓋,下面的是鍋底。MirrorLab在鑄造鏡面時的第一步就是把碎玻璃整齊的碼放在這口鍋裡,然後加熱旋轉。這樣轉個幾星期再冷卻,冷卻後的鏡面形狀就是拋物面(普物力學應該都算過),這樣大大減輕了後面磨鏡拋光的工作量。而你要問我這根單鏡面口徑有什麼關係,關係就是,這口鍋的內徑就是8.417米,所以除非你換口鍋,否則當今望遠鏡的單鏡面口徑最大就是8.417米。

另外吐槽一下MirrorLab並沒有 @李鎮業 給的那張圖那麼小,那張圖裡突出來的那一塊僅僅是倉庫的大小,實際的MirrorLab是建在亞利桑那大學橄欖球場西看台的下面。也就是下圖突出來的倉庫後面的板房一直延伸到看台底下。想想也是啊,MirrorLab負責加工的鏡面越來越多,為了趕工期經常是這個鏡子在拋光,那邊另一個鏡子在清洗之類的。而且造鏡子的流程包括鑄造、拋光、檢測、清洗等等,經常要在好幾個8米多的儀器之間來回運輸。倉庫那麼大點地方顯然不夠。。。

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如果題主現在好奇能不能大一個或者半個數量級,比如造個三十米的單鏡面,這個問題先留著,因為比較麻煩,讚的人多了再更。

【李鎮業的回答(5票)】:

關於這張圖我說一句,觀察可以發現大部分的望遠鏡都是拼接鏡面的,而單個鏡面的鏡面有相當多都是8米。這是因為這樣大的鏡片只能在亞利桑那大學的mirror lab製造,受限於設備和建築物的尺寸鏡片最大只能造到8.4米。關於這張圖我說一句,觀察可以發現大部分的望遠鏡都是拼接鏡面的,而單個鏡面的鏡面有相當多都是8米。這是因為這樣大的鏡片只能在亞利桑那大學的mirror lab製造,受限於設備和建築物的尺寸鏡片最大只能造到8.4米。

mirror lab就是這個小板房,看起來確實不大。mirror lab就是這個小板房,看起來確實不大。

Touring the Steward Observatory Mirror Lab ? Cal Poly Pomona Astroblog

所以說想要造更大的單鏡面需要更大的廠房和更大的設備。

【知乎用戶的回答(1票)】:

前面的人好像都沒回答對問題啊,人家問哪個你到是說啊,你解釋這麼多有什麼用

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印象中好像是甚大望遠鏡那個巨大的反光鏡。但是提問是單片鏡片。。。現在大型望遠鏡好像都是反射式或者折反射卡塞格林式,至少兩片。。。

看了一下維基上那個對比的圖,前面幾位也有貼上來的。如果不算反射到CCD上的反射鏡。似乎確實是歐洲南方天文台(ESO, European Southern Observatory)的甚大望遠鏡(VLT, very large telescope)

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