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星感准备开启宇宙的新望远镜

请看CNET杂志的更多报道。Michael Muller几乎在地球上行走的时间里,人类就一直试图理解恒星。

我们已经从一万年前苏格兰田野里的阴历坑中走了很长一段路。仅在过去30年里,望远镜就帮助发现了宇宙的年龄,提供了黑洞的视觉证据,确认了太阳系外近3500颗行星(并首次对它们拍照),观察了行星的形成并揭示了恒星的生命周期。

现在,三种新的天空观测工具正准备告诉我们更多的信息。每一个都将在破解天文学和天体物理学的奥秘方面发挥独特的作用。有了它们,科学家将更清楚地看到时间的开端,看到太阳系外行星的大气层,并探索黑洞的光和无线电特性。

Mirror Mirror是巨型麦哲伦望远镜组织的成员,它位于智利,远离人类居住的环境光线,是新一代超大型望远镜的发源地。这些光学望远镜将远远大于我们迄今看到的任何东西。

直径24.5米( 80英尺),收集面积368平方米( 3,961平方英尺),GMT将开启光学天文学的新时代,能够捕获比哈勃太空望远镜更锐利10倍的图像。它是数十年(如果不是数百年)天文技术的顶峰。

巨型麦哲伦望远镜组织第一批望远镜(如1609年伽利略使用的望远镜)被称为折射望远镜,其中长管两端的凸透镜放大夜空中的图像。下一个是1721年的金属反射望远镜。(威廉·赫歇尔利用自己的一项发明发现了18世纪的天王星以及土星的第六和第七个卫星恩克拉多斯和米马斯。)用玻璃而不是金属反射望远镜在20世纪变得流行起来。

玻璃反射镜比金属反射镜产生的图像清晰得多,不会像金属反射镜那样容易变色。但直到20世纪90年代,它们的直径上限约为5米( 16英尺)。再大一点,玻璃就会在自重的作用下开裂。这种情况在大约30年前发生了变化,当时几项突破使得建造8米( 25英尺)宽的玻璃镜子成为可能。巨型麦哲伦望远镜组织负责人帕特里克麦卡锡说:“

你可以拿一些较小的镜子,把它们打磨成一个母光学表面的片段或部分,仔细排列,把光线组合成一个单一的焦点。”。

用不了太大的跳跃就能从那一点跳到用多面镜子来造一个更大的望远镜。这就是GMT的工作方式:一个由7个8.4米( 27英尺)的镜面段组成的阵列,这些镜面段将组合成一个巨大的反射镜,由硼硅酸盐玻璃铸造而成,由二氧化硅和氧化硼的混合物制成,没有旧玻璃镜面的易碎性或温度敏感性。

GMT s镜像已构建。智利的阿塔卡马沙漠是地球上海拔最高、最干燥的地区之一,地面被破坏。望远镜预定在2022年首次发射光,这是一个新望远镜拍摄宇宙第一个图像的神奇时刻。太空总署和欧洲太空总署预定2018年发射进入地球轨道的詹姆斯·韦伯太空望远镜中的一只眼睛有一面小得多的镜子。然而,它的直径为6.5米( 21英尺),收集面积为25平方米( 270平方英尺),将是太空中最大的反射望远镜,超过其前身哈勃太空望远镜的直径为2.4米( 7.8英尺)的反射镜。

詹姆斯·韦伯太空望远镜镜正在进行低温测试。

NASA / Ball航空航天空间有自己的一套挑战。由于JWST将在极冷的条件下工作,反射镜不是由硼硅酸盐玻璃制成,而是由镀金铍制成,后者更能处理这些温度。这种材料以前就使用过,比如2003年以来围绕太阳运行的斯皮策太空望远镜。但是JWST还有一点。

科学目标推动工程必须实现的目标。这意味着一个非常大的孔径望远镜——太大了,它必须折叠起来才能适应JWST项目副经理保罗·盖特纳说:“进入运载火箭,从而在太空中展开一次。”。

它还要求望远镜对红外光非常敏感,这意味着望远镜和仪器在极冷的温度下工作,以抑制自发射的红外能量,并且要求非常灵敏和低噪声的红外光探测器。

他补充说,所有这些都需要开发大型轻量级可部署低温兼容光学系统、保护望远镜不受太阳伤害的大型防护装置、改进的测试设备以及红外光探测器的巨大进步。X1CS >这是关于数据的,与此同时,由包括澳大利亚、加拿大、中国、南非和英国在内的10个国家组成的组织建造的平方公里阵列是世界上最雄心勃勃的射电望远镜项目。

计划2020年开始在澳大利亚和非洲进行观测,SKA将由射电望远镜天线组成,总收集面积为1平方公里,即10万平方米( 1000万平方英尺)。这将使它成为史上最大的望远镜,比最大的单盘望远镜阿雷西博天文台灵敏10倍,比最强大的干涉仪望远镜新墨西哥州Jansky超大阵列灵敏50倍。

我们拥有制造天线的技术已经有几十年了。澳大利亚联邦科学和工业研究组织天文学和空间科学司( CSIRO )的乔治·综框说,花费这么长时间的原因,与其说是与实际望远镜有关,不如说是与数据有关。直到现在,我们还没有计算能力。

澳大利亚平方公里阵列探路者是一个由36根天线组成的望远镜阵列,它测试并演示了将在平方公里阵列中使用的技术。CSIRO 现在成为可能的主要原因之一是计算。望远镜的核心是把一切连接在一起的计算机。他说,这个平方公里阵列内的计算能力是绝对必要的,现在已经变得可行了。

与此相关联的是数据流。有大量的数据从望远镜流向中央计算系统。这个数据流原则上超过了全球互联网流量。

根据需要,望远镜需要建在远离手机、GPS和无线互联网信号的遥远位置,这些信号会干扰天线收集的无线电数据。即使微波炉也会造成破坏。

然而,这又带来了另一个挑战:你如何在如此大的规模上为某些东西提供动力?CSIRO正在使用一个现场太阳能阵列为澳大利亚平方公里阵列探路者提供动力,这是一架2009年至2012年建造的望远镜,用于测试将在SKA部署的技术。

从上而下,初看起来,建造这么多望远镜可能被认为是太过分了,但是每个望远镜——地基光学望远镜、轨道光学望远镜和射电望远镜——都有解释宇宙的作用。

例如,JWST将能够更清楚地看到早期宇宙,以惊人的灵敏度观察早期红外星系。但是,它只能从光谱的红端看到红外。GMT将能够探测到更宽范围的光线,并且能够非常快速地获得更清晰、更宽的视野。SKA将研究无线电频谱。综丝说:「巨型麦哲伦望远镜组织无线电和光学密切相关。」特别是如果无线电能探测恒星形成的物质,在光学上我们能探测实际恒星本身,那么我们就能把这两件事联系在一起,并进一步了解星系随时间的演变。

还有很多东西有待发现。宇宙的开端是138亿光年远。哈勃太空望远镜在134亿光年外发现了一个星系。GMT和JWST都有望看到大爆炸。

激光干涉仪引力波天文台开辟的令人振奋的引力天文学新领域也为光学和射电天文学提供了新的机遇。GMT和SKA等望远镜可以用来探测重力波探测器探测到的黑洞和碰撞星系的光和无线电特性。

超越人性,当然还有持续的搜寻对于外星生命来说。像GMT这样的望远镜足够强大,可以看到系外行星的大气层。用较弱的望远镜,母星发出的光会使大气变得太暗而看不见。分析这些大气的化学特征可能揭示这些系外行星是否能够维持生命。麦卡锡解释说:「天文学目前的一个重要议题,是试图了解具有生物过程的生命星球的化学特徵。」例如,木星上地质过程产生的甲烷和氧气与地球上生物过程产生的甲烷和氧气的比例不同。

德州奥斯汀SXSW的JWST全尺寸模型,2013年。盖特纳说:「NASA 在其母星 s 可居住区 [的岩石星球大气中侦测到水、游离氧、二氧化碳和甲烷等物质,这些物质离恒星不太近,以至于对生命来说太热,也不至于太冷] - -这些将会改变我们在宇宙中对自己的看法。」

另一方面,SKA将寻找无线电信号,比如那些从我们先进的地球文明中发出的信号。一个有趣的有趣发现是外星智慧的迹象。这是平方公里阵列将考虑的项目之一。综丝说:「它对我们银河系相对邻近地区的文明很敏感。」

三人一致认为,最令他们兴奋的是他们不期望找到的,他们甚至还没有想过要问的问题。麦卡锡说:

我之所以愿意花10多年的时间研究GMT,是因为我相信,50年来,它将为科学做出贡献,它将导致新的发现,年轻人会发现一些没有人想到或别人告诉他们不可能存在的东西。

综框补充说:「当我们以这种全新的尺度建造望远镜时,经常会发生的事情是,我们最终发现了我们从未预料到的东西。我们最终找到了我们从来不知道应该问的问题的答案。

这个故事出现在2016年秋季版的CNET杂志上。有关其他杂志文章,请单击此处。CNET杂志reading《星感:新望远镜准备开启宇宙》5月29日CNET杂志赶上季根-迈克尔·基5月29日季根-迈克尔·基与捕食者5月21日幕后:这就是我们拍摄杰西·泰勒·弗格森封面的方式!4月24日像素2xl,iPhone X让拍摄度假照片变得如此轻松查看所有内容

 
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