當天文學家將望遠鏡指向天空以觀察遙遠的超新星或類星體時，他們正在收集數百萬甚至數十億光年穿過太空的光線。即使宇宙中巨大而強大的能量源，從如此遙遠的距離觀察時，也顯得難以想象地微小和微弱。為了瞭解大爆炸後不久形成的星系，以及附近但更小更暗淡的天體，天文學家需要更強大的望遠鏡。
對於那些需要非凡靈敏度和儘可能清晰影像的專案來說，或許最典型的例子就是搜尋其他恆星周圍的行星，我們試圖探測的天體離其恆星非常近，並且亮度大約是其十億分之一。尋找類地行星是下一代望遠鏡最令人興奮的前景之一，並且最終可能導致發現外星生命跡象。
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研究望遠鏡中的探測器已經非常靈敏，幾乎可以捕獲每一個入射光子，因此只有一種方法可以探測到更暗淡的物體並解析更精細的結構：建造更大的望遠鏡。大型望遠鏡不僅可以捕獲更多光子，還可以產生更清晰的影像。這是因為光的波動性限制瞭望遠鏡的解析度，稱為衍射極限；影像的清晰度取決於光的波長和望遠鏡的直徑。
作為光學科學家，我們對下一代望遠鏡的貢獻是找出如何製造它們所依賴的巨大鏡面，以收集來自遙遠的光線。以下是我們如何完善這項技術，這將為未來的天體物理學發現鋪平道路。
多個鏡面
問題是如何建造比當前一代望遠鏡（有效直徑為 8 到 12 米，即 26 到 40 英尺）大得多的東西。最大的挑戰之一是製造更大的鏡面來收集光線。
首先，瞭解望遠鏡的基本光學佈局會有所幫助，這裡以在智利建造的巨型麥哲倫望遠鏡（GMT）為例。一個大的主鏡收集入射光並將其反射到焦點。光線被較小的副鏡第二次反射，以在主鏡下方安全且可訪問的位置形成儀器上的影像，並在那裡記錄影像。
由一整塊玻璃製成的大於 8 米的鏡面將過於昂貴且難以操作。參與建造巨型望遠鏡的每個人都同意，解決方案是用多個較小的鏡面製作主鏡。多塊玻璃成形並對齊，形成一個巨大的鏡面，稱為分段鏡面。只要分段鏡面的表面位於一個連續的近拋物面（稱為母面）上，分段之間的間隙是可以接受的。
目前正在開發中的三個超大型望遠鏡（ELT）專案對這種分段主鏡的設計做出了非常不同的決定。其中兩個 ELT，即歐洲 ELT和三十米望遠鏡，採用了夏威夷的 10 米凱克天文臺望遠鏡首創的方法——它們將用數百個 1.5 米的分段組成一個巨大的鏡面。
第三個專案，巨型麥哲倫望遠鏡，則採取了不同的方法。其 25 米的主鏡只有七個分段。它們是可以製造的最大單面鏡，也就是我們在這裡的亞利桑那大學理查德·F·卡里斯鏡面實驗室生產的 8.4 米（28 英尺）蜂窩鏡。 GMT 的 3 米副鏡也有七個分段，每個分段與主鏡的一個分段配對。
大，硬且輕
大型鏡面分段保證了其整個大面積上的光滑表面。主鏡中的分段越多，其精度就越取決於它們的精確對齊，以使其保持在母面上。由於 GMT 中主鏡和副鏡分段的配對，形成清晰影像所需的精細控制可以透過移動副鏡的小而靈活的分段來完成，而不是透過移動 8.4 米的主鏡分段來完成。 8.4 米蜂窩鏡的第二個優點是它們強大的傳統，包括在目前世界上最大的望遠鏡，即亞利桑那州的大型雙筒望遠鏡中使用。
使用大型鏡面的挑戰之一是它在自身重量和風力的作用下容易彎曲。鏡面暴露在風中，就像遊艇上的帆一樣，但在影像變得模糊之前，它只能彎曲約 100 奈米。克服這個問題的最佳方法是使鏡面儘可能地堅硬，同時還要限制其重量。
我們透過將鏡面鑄造成輕質蜂窩結構來實現這一壯舉。每個鏡面頂部都有一個連續的玻璃面板，背面有一個幾乎連續的背板，每個面板都大約一英寸厚。將這兩個板固定在一起的是一個蜂窩結構，該結構由六邊形圖案中半英寸厚的肋條組成。我們的蜂窩鏡厚 70 釐米，這使得它們足夠堅硬，可以承受重力和風力的作用。但是它們 80% 是空心的，每個重約 16 噸，足夠輕，不會在自身重量下明顯彎曲。
製作鏡面
我們首先將玻璃熔化到一個複雜的模具中，該模具是我們最終想要得到的蜂窩鏡的負像。當玻璃熔化時，熔爐以每分鐘五轉的速度旋轉；離心力將玻璃表面推入凹拋物線形狀，從而可以聚焦來自遙遠恆星的光線。觀看下面的影片，瞭解蜂窩模具的構造和旋轉澆鑄過程。
旋轉澆鑄的鏡面表面尚未達到製作清晰影像所需的光學質量。但是旋轉使其具有正確的整體曲率，並省去了我們從平面上研磨出 14 噸玻璃的麻煩——這幾乎與成品鏡面中剩餘的玻璃一樣多。
拋光表面
接下來，我們需要將表面拋光到小於光波長的一小部分精度，以便它形成儘可能清晰的影像。鏡面表面必須與理想的近拋物面匹配到約 25 奈米的精度——約為人類頭髮寬度的 3 萬分之 3。這真的非常非常光滑；如果將鏡面放大到北美洲的大小，最高的山將是一英寸高，最深峽谷將是一英寸低。
為了指導我們的拋光工作，第一步是建立一個鏡面表面的超精細輪廓圖，步長小於 10 奈米。作為我們的“標尺”，我們使用紅色雷射；其刻度是光的波長（約 630 奈米），並且可以讀取到約百分之一的刻度。
測量儀器照射鏡面，收集反射的光線，並比較從鏡面上不同位置反射的光線的路徑長度。從高點反射的光線的路徑將比擊中低點的光線的路徑短。該儀器使用此資訊來構建鏡面表面的輪廓圖。
拋光的基本原理是用盤狀工具摩擦表面，從過高的點選擇性地去除玻璃。諸如胭脂紅（氧化鐵）之類的細磨料會透過機械和化學過程緩慢地逐個原子地去除玻璃。
整形是透過從輪廓圖中識別出的高點明確去除玻璃，例如透過使工具在那裡摩擦更長時間。這在大於約 10 釐米的尺度上是有效的。平滑是指當您在粗糙表面上摩擦堅硬的工具時發生的情況：工具自然會停留在高點上，並在那裡去除更多材料，即使沒有任何輪廓圖的指導。這在小於 10 釐米的尺度上是有效的。當鏡面表面是非球面時，這兩種方法都更加困難，這意味著其曲率會逐點變化，這對於 GMT 分段而言非常重要。
我們開發了幾種新的拋光工具來解決為望遠鏡拋光大型鏡面所面臨的挑戰。任何拋光工具的一個基本特徵是，它與鏡面表面的形狀匹配，精度約為 1 微米。背景中較大的工具是一個複雜的機電系統，當它在表面上移動時會改變剛性鋁盤的形狀，因此它始終與鏡面的局部曲率匹配。
前景中較小的工具要簡單得多。類似於伽利略將狂歡節玩具改造為天文望遠鏡，我們的新想法來自橡皮泥——一種非牛頓流體，在很長一段時間內像液體一樣流動，但在短時間尺度上表現得像固體。我們利用這些內在特性來實現整形和平滑。
我們的工具包含由薄橡膠膜封閉的橡皮泥，它在鏡面上緩慢移動，同時圍繞自身快速旋轉。橡皮泥在快速旋轉期間是剛性的，這可以平滑鏡面表面上的小規模不規則性。在穿過鏡面所需的較長時間內，橡皮泥很容易流動，因此該工具始終與表面的形狀匹配。結果，它以可預測的速率和可預測的模式去除玻璃，而不會隨著它在鏡面上移動而變化。
安裝倒計時
在映象實驗室，我們於 2012 年完成了第一塊巨型麥哲倫望遠鏡鏡片的製作。在暫停工作制作另外兩塊鏡片之後，實驗室目前正在研磨第二和第三塊鏡片。第四塊鏡片於 2015 年 9 月旋鑄後，剛剛冷卻至室溫。我們正在穩步推進製造完整的 25 米主鏡。
如何將這些近乎完美的鏡片從我們在亞利桑那州的實驗室運送到智利的山頂，是另一項挑戰。它們透過拖車在陸地上運輸，並透過貨船從加利福尼亞州運往智利。安全運輸的關鍵是將鏡片的重量分散到數百個支撐點上，並在鏡片與道路或船甲板之間設定多層懸架。
巨型麥哲倫望遠鏡（GMT）專案計劃在 2022 年安裝四塊鏡片進行初步首次觀測。我們預計所有七塊鏡片將在 2024 年開始掃描宇宙。
我們許多參與 GMT 專案的人都將其視為開啟通往宇宙新視窗的方式，就像哈勃太空望遠鏡（HST）在過去 25 年所做的那樣。這架軌道望遠鏡是為下一代人精心準備的禮物，它來自在發射前幾十年參與該專案的人們。哈勃的深空影像令地球上的許多人感到驚歎、激勵和鼓舞。GMT 專案團隊夢想著為後代傳遞類似的禮物。
巴迪·馬丁（Buddy Martin）在亞利桑那大學斯圖爾特天文臺工作。他接受巨型麥哲倫望遠鏡組織的資助。亞利桑那大學是巨型麥哲倫望遠鏡的合作伙伴。
金大旭（Dae Wook Kim）在亞利桑那大學光學科學學院和理查德·F·卡里斯映象實驗室工作。他接受巨型麥哲倫望遠鏡組織的資助。
本文最初發表於The Conversation。閱讀原文。