請思考一下：天文學家認為哈勃太空望遠鏡很小。這可能會讓你感到驚訝，因為哈勃望遠鏡三十年來拍攝的影像具有深度和細節，這是大多數地面望遠鏡無法實現的，以至於大眾普遍認為該望遠鏡一定是建造過的最大的望遠鏡之一。
但它的鏡面只有 2.4 米寬。這不算非常大。即使是更新的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST)，現在也像哈勃望遠鏡一樣捕捉到令人驚歎的影像，其鏡面也只有 6.5 米寬，這在天文學家看來也只是中等到大型的範圍。當然，這些望遠鏡是用火箭發射到太空的，這個過程本身就限制瞭望遠鏡的體積。在地球上，有更大的望遠鏡：智利的甚大望遠鏡有一個 8.2 米的鏡面，夏威夷的雙子剋剋望遠鏡每個都有巨大的 10 米寬。目前正在建造幾架巨大的望遠鏡，包括智利的巨型麥哲倫望遠鏡（它有七個 8.4 米的鏡面，相當於一個直徑超過 22 米的單鏡面）和夏威夷的三十米望遠鏡。
目前正在建造的最強大的望遠鏡是歐洲南方天文臺的極大望遠鏡，簡稱 ELT，它將在 2028 年完工後，達到驚人的 39 米寬。它將是迄今為止地球上或地球外最大的可見光和紅外光望遠鏡。
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ELT 很可能是有史以來建造的最大的望遠鏡。原因可以歸結為成本（不足為奇）、工程技術以及幾何定律的不可抗拒性。
最後一個因素是限制巨型望遠鏡尺寸的決定性因素。天文學家有時將望遠鏡稱為“集光桶”，因為它們像雨中的桶收集水一樣收集穿過太空的光。桶越大，收集的雨水就越多。微弱的物體只有極少的光線能到達地球。更大的望遠鏡收集更多的光，因此原則上它可以看見更微弱的物體、更遙遠的星系和更古老的恆星。經過幾個世紀的觀測，我們已經看到了天空中大多數明亮的物體，因此現在天文學的前沿是尋找更暗淡的物體。
更大的望遠鏡還有另一個優勢：它們具有更好的解析度，這意味著能夠看到精細細節的能力。將望遠鏡的寬度加倍，就能探測到寬度減半的細節，從而將遙遠的星系顯示為不僅僅是微小的汙跡。
由於這些原因，天文學家總是想要更大的望遠鏡。問題是，超過一定尺寸（大約 8 米寬）後，單片式望遠鏡鏡面非常難以鑄造、拋光和使用——僅僅建造一個支撐如此巨大物體重量的結構就令人望而卻步。望遠鏡鏡面的面積與半徑的平方成正比，因此 10 米望遠鏡的面積（以及大約四倍的體積，因此重量）將是 5 米寬望遠鏡的四倍。*
為了克服這個障礙，天文學家轉向了分段鏡面，有效地將幾個相對較小的鏡面組合成一個更大的鏡面。這些鏡面通常呈六邊形，因為六邊形可以很容易地平鋪成大型陣列；JWST 就使用了這樣的排列。背面的小型馬達傾斜和傾斜這些分段，以確保它們儘可能精確地組合在一起。更好的是，這些鏡面可以做得非常薄，並且可以根據需要變形其形狀，以克服地球大氣層引起的模糊。空氣是一團沸騰的氣態湯，扭曲和分散來自宇宙的光線（這種現象是星星閃爍的原因）。但是，藉助高度精密的感測器和致動器，光路中的特殊鏡面可以在毫秒內變形以校正這種湍流，從而提高望遠鏡的解析度。地面望遠鏡經常採用這種“自適應光學”技術來獲得與哈勃望遠鏡和 JWST 一樣清晰的影像。
這種方法使得 ELT 如此巨大。除了自適應光學鏡面外，主鏡面的 798 個獨立鏡面分段（每個 1.4 米寬）還具有多個自動控制系統，以保持它們的對齊。
該系統可想而知價格昂貴；ELT 的總基線成本估計約為 2023 年美元 15 億美元。這隻巨獸的工程技術也處於最前沿。它需要一個 80 米高、88 米寬的巨大穹頂，以及一個配備減震器的地基，以緩衝振動。
這些引數是 ELT 可能是有史以來建造的最大的地面望遠鏡之一（如果不是最大的）的原因。將來有可能建造稍微大一點的望遠鏡，但任何明顯更大的望遠鏡都將花費數倍的資金，並帶來相應更大的工程難題。事實上，ELT 最初的想法被稱為 OWL——OverWhelmingly Large Telescope（極其巨大的望遠鏡）——它本應達到驚人的 100 米寬；經過多次審查，一個天文學家小組決定，更適度的 39 米就足夠了。
我們需要更大的望遠鏡嗎？ELT 的尺寸是為了滿足天文學界的科學需求而確定的。這些需求包括直接成像附近的系外行星——包括與恆星距離適中，擁有液態水的地球大小的世界——以及回溯到宇宙中最早的星系誕生的時代。更大的望遠鏡可以做更多的事情，但目前，ELT 正處於天文學的最前沿。它可能會為未來更大的望遠鏡奠定基礎，但它們的時代尚未到來。
這樣的未來可能會因其他原因而推遲。天文學家可能會轉而採用一種數十年前的技術，稱為干涉測量法，即結合遠距離射電望遠鏡的觀測結果，來模擬更大望遠鏡的解析度。事件視界望遠鏡就是一個射電干涉儀，它觀測了銀河系中心的黑洞以及星系 M87 的黑洞。它結合了地球各處的望遠鏡，有效地構成了一個我們整個地球大小的天文臺。
聽起來不錯，但可見光觀測的干涉測量法存在兩個問題。一是它受到所用單個望遠鏡面積的限制，因此看到微弱的源——天文觀測的一個關鍵方面——仍然是一個問題。另一個是組合觀測尺度與探測到的光頻率的難度，因為可見光頻率可能遠高於無線電波的頻率。可見光干涉測量法已經在使用靠近在一起的望遠鏡實現了——甚大望遠鏡干涉儀使用了四個八米望遠鏡，彼此相距幾十米。更長的基線是可能的，但它們極具挑戰性，需要奈米級測量精度。然而，如果可見光干涉測量法最終可以在更長的基線下實現，它將減輕對比 ELT 更大望遠鏡的需求。
鑑於所有這些，如果有可能，天文學家會想要更大的望遠鏡嗎？是的，顯然會。而且一個更大的望遠鏡可能比一個更小巧、更靈活的太空望遠鏡成本更低。
或許未來會發現可以克服建立巨型可見光望遠鏡的一些障礙的技術。例如，我們可能會在月球上建造天文臺，那裡的低重力和沒有大氣層比地球上的儀器設定提供了巨大的優勢。一個直徑一公里的射電望遠鏡，坐落在月球隕石坑中，已被提議用於月球背面，免受地球干擾。雖然射電望遠鏡比可見光望遠鏡更容易建造，但如果我們假設在月球上建造如此龐然大物，那麼可以探測可見光的望遠鏡也是值得考慮的。這是一個夢想，但技術有將夢想變成現實的方法。
永遠不要說永不。ELT 可能是建造過的最大的望遠鏡，並且可能會保持這個記錄很長很長時間——但也許不會永遠。
這是一篇觀點和分析文章，作者或作者表達的觀點不一定代表《大眾科學》的觀點。
*編者注（2024 年 3 月 6 日）：這句話在釋出後經過編輯，以更正鏡面面積與半徑平方成正比的描述。*