美国西南部重要观测基地概览（一）

美国的天文博士项目平均需要5～7年来完成，而大多数学校会在博士项目的前两年安排学生完成与本科生类似、但更深入的课程。所以，我依旧需要上课、完成作业和考试。但这也是我有幸用九天时间游历了美国西南部几个重要观测基地的原因——这是一门天文学观测课程的一部分。在这九天中，我收获不小、感慨良多，把部分在爱好者时代向往的土地迈过了一遍。大概是因为接受了四年物理学本科学习以及一年有余的天文专业训练，看待问题相较之前更理性的缘故，我现在的心境早不如当年中学时代那样满腔热血，但我依旧坚信我理想的职业是最好的，正如我在这里的第一堂课，教授所说的——“This is the best job, we get paid by detecting the universe.”

我们的第一站是美国亚利桑那州第二大城市图森（Tucson），在天文学界赫赫有名、且尤其以观测和仪器见长的亚利桑那大学（UA）便坐落于此。在到达图森的第二天上午，我们便在当地工作人员和教授的带领下开始参观亚利桑那大学下属的斯图尔德天文台镜面实验室（Steward Observatory Mirror Laboratory，以下简称SOML）。

简而言之，SOML就是专门出产大口径光学或红外望远镜主镜的地方。不少有名的大望远镜出产或者在建于此：6.5米的MMT多镜面望远镜（Multiple Mirror Telescope），11.8米的LBT大型双筒望远镜，在建8.4米的大口径全天巡视望远镜（Large Synoptic Survey Telescope，简称LSST）、21.4米的巨麦哲伦望远镜（Giant Magellan Telescope，简称GMT，其包含7个8.4米的单镜）。SOML是非盈利的，虽然他们每磨成一个新望远镜会得到一笔资金，但这些资金最终也全部被用于新技术的研发。

一进门，接待的教授就把我们领到一间办公室，教授对着墙上的MMT图片讲解了一番。之前的SOML还没有能力建造一块完整的6.5米口径的望远镜，所以他们把MMT造成了6个1.8米单镜组成的镜面阵，这也是MMT名字的由来——多镜面

图1 基特峰全景图

终于到了进车间的时候了！

SOML制造望远镜的流程大致分为三部分：

首先是把毛坯玻璃放到一个旋转炉里转

接着在冷却下来之后开始粗磨

最后是将镜子细细研磨直至出厂

所以SOML的车间也因这三个主要流程，分为三部分。望远镜。后来，SOML有能力造6.5米以上级别的单镜了，他们从1998年起把原来的6块单镜拆掉，换成了一块完整的镜子，新镜子依然在原来的圆顶里，只是多镜面望远镜的名字保留下来了。那他们为什么要把新MMT造在之前圆顶里呢？这是个比较有意思的知识点，有时候，建造一个望远镜圆顶，甚至比建造望远镜本身的造价还要高。想来也是，之前课上老师提到，在天文台选址的时候，总会遇到意想不到的难题：各类保护协会会突然冒出，也有神人会指出我们买的地皮是他家祖传土地，想修路还要交过路费之类。

图2就是SOML的旋转炉，熔融玻璃液面在匀速旋转的旋转炉中保持我们想要的抛物面，里面的毛坯玻璃是从日本一家玻璃公司进口而来。这个炉子里面有摄像机，我们也有幸在控制室里（图2中旋转炉后方有门的地方）看到了摄像机拍摄的玻璃熔化的过程（当然是快进的节奏），颇有意思。首先，工程师们先在炉子底端排满一个个六边形的容器模子，然后把一块块玻璃均匀地摆在模子上面。之后，SOML要用5天的时间使炉子达到最高温度2310华氏度（约为1266摄氏度），玻璃块也熔化成液体流进蜂窝状容器里。随后大概经过120天，炉内的物质温度缓慢降到室温，这时就可以打开炉子，把镜子拿出来了，镜子的背面自然也是蜂窝状的。目前在旋转炉里造的是GMT的一个8.4米的单镜。

SOML的旋转熔炉

如图3，SOML就是用这个巨型的铁圈“夹子”，来运输冷却完毕之后的望远镜镜面。在经过一番仔细检查之后，工程师先把镜子和旋转炉底部用胶粘起来，然后把整个镜子从旋转炉中抬出来，放上铁圈夹。在镜面制造过程中，铁圈夹一共用到三次，一次是将镜子夹起，以去掉底部的蜂窝状模子。还有就是将镜子倒扣，以便研磨镜子背面。最终再把镜子正放，研磨镜子表面。把镜子拿出来之后，还要把镜子背面的蜂窝状模子冲洗掉（制造的模子材料是水溶性的）。在冲洗过程中，温度一定要严格控制，如果哪里突然温差大了，玻璃会因为应力变化不均匀，把整块玻璃撑坏，后果很严重。

图4是研磨镜子背面所用仪器。由于镜子背面的研磨相对不那么讲究，所以这个过程相比于镜子正面的粗磨和细磨都要快很多。

下一阶段就是粗磨望远镜了。图5中正在经历粗磨过程的镜子，是GMT的另外一块单镜，此时正倒扣在架子上，正面朝下。据说在这个过程中，我们是可以摸一摸镜子的正面的。虽然讲解的教授没有主动邀请我们这么做，但前年我们系另外一拨学生来这里的时候，就被邀请摸望远镜了，于是我也斗胆摸了摸，没感到有什么特别的，只是粘了一手白灰……据说，粗磨的过程大概又需要一年左右，这个过程之后，镜子的表面精度可达到5~10微米。

运输镜子中必不可少的铁圈夹。图中右侧的红色海报板上还写着：“World’s largest telescope created here”，颇霸气。

研磨望远镜背面的仪器

望远镜粗磨阶段，图为8.4米GMT单镜

图6 细磨望远镜阶段，图为正在制造的LSST

最后一步就是细磨望远镜了。此时的镜子又为正面朝上，到这个阶段，这整块大玻璃是谁都别想摸了。由于抛物面的曲率在不同半径下是不同的，这给研磨增加了很大难度。而在研磨过程中，研磨器一方面可以磨薄镜子，一方面也可以对镜子施力，相当于把镜子“掰”弯。由于研磨时用到一种液体，我们又不希望这种液体蒸发太快，于是在实验室的顶部有不少加湿器，以减慢研磨液体的蒸发速度。整个研磨结束之后，镜子的表面精度可达10~20纳米，检测方法则是激光干涉法。

参观完SOML给我的总体感觉是，尽管我是个做理论的（不可避免地终日浸泡在代码的海洋中），但仪器和观测对我也有着很大吸引力，兴趣永远都是最好的老师。

我们下午直奔图森市西南部的基特峰国家天文台（Kitt Peak National Observatory,简称KPNO），隶属于美国国家光学天文台（NOAO）。虽然从图森市一上86号公路就能看到我们的目的地基特峰，但却还需要一个小时的车程。

到了基特峰，山上风很大，温度也低了不少。接待我们的居然也是之前弗吉尼亚大学天文系毕业的校友。我们参观的第一个圆顶是4米的梅奥尔望远镜（Mayall），也是基特峰国家天文台最大口径的望远镜。梅奥尔望远镜的圆顶说来也有故事，这里曾在1987年夹死过一名年仅36岁的天文学家马克·阿伦森（Marc Aaronson）。在事故之后，这个圆顶的设计缺陷被修正了。

梅奥尔望远镜是用以前基特峰国家天文台台长的名字命名，是一台f/2.7、赤道式、卡塞格林式反射望远镜，主要用于红外以及一些暗源的观测。其终端的CCD是拼接而成，最后等效为8192 ×8192像素。我们也有幸进到了梅奥尔望远

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梅奥尔望远镜的圆顶体型庞大，在到达望远镜基座之前，要经过16层楼。在这16层楼里，有机械室、仪器室、暗室、活动室、教室及宿舍等等，有些房间已废弃不用。想要弄清梅奥尔望远镜圆顶内部结构的话，要下一番功夫才行。想进到摆放望远镜的顶层，还要经过两个电梯，稍不留神便会迷路。梅奥尔望远镜主要用于暗源以及红外观测。它通过测量星系在不同半径处的旋转速度以探测其中的暗物质，通过掩星手段测量恒星半径，还建立了许多椭圆星系如M87、M49的动力学结构。此外，梅奥尔望远镜还用于研究宇宙大尺度结构。镜的终端去看。值得一提的是，4米梅奥尔望远镜的圆顶不比LBT（两个8.4米的巨型双筒望远镜）的圆顶小，原因就在于梅奥尔望远镜是赤道式，而LBT是地平式望远镜，地平式相对比较省空间。

图7 Mayall望远镜

而后我们又参观了新型WIYN望远镜（WIYN，分别是威斯康星大学麦迪逊分校“University of Wisconsin-Madison”、印第安纳大学“Indiana University”、耶鲁大学“Yale University”和美国国家光学天文台“National Optical Astronomy Observatory”四个合作单位的首字母），它口径3.5米，为RC系统。由于WIYN望远镜是地平式的，所以其“圆”顶（其实不是圆的）看起来要比梅奥尔望远镜小了很多，而口径只少了半米。通过WIYN望远镜控制室的窗户，我们可见梅奥尔望远镜的圆顶，每天对着这样的景色工作，倒也不失为一种乐趣。因为WIYN望远镜正好修在基特峰的上风口，望远镜不会受到其他建筑或山体的尾流的影响，所以WIYN望远镜所在位置的气流最稳定，使得它的视宁度是所有圆顶中最好的。

我们在基特峰的最后一站是口径1.6米的麦克马斯-皮尔斯太阳望远镜，它外形非常酷，只是今年因为资金问题，暂时停掉了。

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麦克马斯-皮尔斯太阳望远镜（McMath-Pierce）建成于1962年，是世界上最大的太阳望远镜之一，探测波段在0.3~12微米。它主要用于研究太阳黑子的结构，其他重要成果还包括探测到了太阳内部的水蒸气、探测到黑子外部的强磁场（是地球磁场的上千倍）以及火星大气中的微激波源等。而且，它也能在夜晚观测一些亮星。

WIYN望远镜

WIYN望远镜是基特峰国家天文台上口径第二大望远镜，但WIYN望远镜的“圆”顶要远小于梅奥尔望远镜圆顶。由于WIYN是地平式望远镜，所以在建造时节省了大量空间。此外，WIYN的“圆”顶曾经放在过风洞里进行研究，其有棱有角的外形是为了使内部有效通风：既不能风速过大、过强使望远镜震动，也要尽快使圆顶内外部的温度达到一致，减少湍流以提高视宁度。4米的梅奥尔望远镜的配重有375吨，而3.5米的WIYN的配重只有46吨。为抵消温度（热胀冷缩）、观测角度（会使主镜产生形变）对成像带来的影响，WIYN采用主动光学技术，利用望远镜主镜后部的传感器对望远镜的形状进行改变，以达到最佳成像效果。

图8 我们的向导和WIYN望远镜

图9 WIYN望远镜后面的情况，一块块花花绿绿的传感器是用于根据成像而调节镜子的形状的。

太阳望远镜塔的顶部有个2.1米的定日镜（图11数字1的位置），用来跟踪太阳位置。然后它会把太阳光一直通过这个斜通道引到山底下（山是打通了的），再通过山底的1.6米主镜（主镜是凹面镜，图11数字2的位置）又把光反射上山（还在这个斜通道里面），然后再通过一个1.5米的镜子（图11数字3的位置）把光半路拦到各个探测室里面去，观测太阳。之所以把这个光路造得很长，是因为太阳光很强，我们需要调整出一个强度相对弱的太阳像。

太阳塔的通道内部，图中最亮处是定日镜位置

太阳塔光路图，图片来自http://nsokp.nso.edu/sites/nsokp.dev.nso.edu/files/files/mcmp_cutaway.gif

太阳塔与星轨。（图片来源网络）

参观完麦克马斯-皮尔斯太阳望远镜，我们的基特峰国家天文台之旅也算结束了。一行人驱车又回到图森市住下。尽管我知道第二天还要奔赴海拔3000多米的格拉汉姆山的LBT大型双筒望远镜天文台（Large Binocular Telescope Observatory），但我依旧止不住兴奋，一定要发一篇即时日志、处理并上传一批照片才睡觉。此程虽累，但乐趣及收获太多。（未完待续）

美国西南部重要观测基地概览（一）

□ 弗吉尼亚大学天文系 孙 萌