让人类从地面“触碰”到太空中那些遥远的星——地基望远镜

    天文望远镜的出现使得人类能够触碰光年外的神秘,哈勃太空望远镜自升空以来,取得了许多突破性发现,不断带给我们惊喜,为了与太空望远镜区别,将原来一些建造在地上的天文望远镜称为地基望远镜。本文将对七种地基望远镜做出介绍。

平方千米阵

    平方千米阵(Square Kilometre Array,SKA)是当前国际射电天文界的大型望远镜项目,2016年开始在南非和澳大利亚两地兴建平方千米阵,项目中三分之二的天线建在南非和非洲其他地区,另三分之一的天线建在澳大利亚和新西兰,中国、澳大利亚、英国、南非等20个国家共同参与了这项国际合作项目。它是由数千个较小的探测装置组成的阵列,包含上千个射电望远镜,从而形成一个巨大的信号采集面。SKA 致力于回答人类认识宇宙一系列科学疑问,特别是关于第一代天体如何形成、星系演化、宇宙磁场、引力的本质、地外生命与地外文明、暗物质和暗能量等。

    其中,SKA望远镜在解释我们地球在内的行星是如何形成的,以及生命是如何在上面出现的,这被称为 "生命的摇篮 "研究,横跨天文学的许多领域,包括了解年轻恒星周围的物理和化学作用。另一个专业领域是寻找地外智能(SETI),寻找宇宙中其他地方的智能文明的无线电信号。一提到地外生命,我们往往会想到绿色小生命和外星人入侵。不过,在其他世界寻找生命的科学正在形成真正的势头。天文学家已经在彗星、星云和星际空间中发现了复杂的有机分子--我们所知的生命的组成部分。找到它们是一回事,但生命的最终形成需要一个适合居住的家园。这就是为什么了解行星如何形成是SKA科学界的一个重要目标。

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南非MeerKAT射电望远镜的现有天线(右侧:实际照片)将被纳入SKA-Mid(左侧:合成图片) 来源:https://www.skao.int/en/explore/science-goals/145/seeking-origins-life

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    电脑模拟暗物质(红色)如何扭曲来自遥远星系的路径,以及观察我们听到的它们的形状。这种扭曲是由弱透镜引起的。资料来源:S. Colombi (IAP), CFHT团队

 

阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列

    阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array,ALMA)位于智利北部阿塔卡马沙漠,是由射电望远镜构成的天文干涉仪。2013年3月全部竣工并投入使用。该望远镜共由66个天线构成,总长度达到9.9英里。ALMA望远镜是一个国际合作的天文设施,由欧洲、北美、东亚与智利共和国合作运作。因为具备“高海拔”和“空气干燥”两个绝佳条件,这对毫米和次毫米波长的观测至关重要。ALMA主要用于获得有关星系和行星演变的数据,寻找新天体以及探寻宇宙中是否存在能进化成生命的物质。

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阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA)的一根天线在智利安第斯山脉的Chajnantor平原上刺向天空,海拔5000米 编辑:Iztok Bončina/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) 来源:https://www.eso.org/public/images/ib-alma19/

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由ALMA在CS(7-6)线上看到的Sgr A*环核盘上的分子气体团块的重叠。黄色的圆圈是薄薄的团块,将被超大质量黑洞Sgr A*的引力撕碎。绿色的圆圈密度足够大,可以在潮汐粉碎中存活下来,但不能形成恒星。紫色/粉红色的圆圈具有形成恒星所需的密度,但没有观察到恒星形成。资料来源:Hsieh, P.-Y. et al. - ALMA (EOS/NAOJ/NRAO)

 

加那列大型望远镜

    加那列大望远镜(Gran Telescopio Canarias,GTC)是目前世界上最大和最先进的光学和红外线望远镜之一。它的主镜由36个独立的六边形部分组成,共同作为一个单一的镜子。GTC的集光镜面面积相当于一个拥有10.4米直径单片镜的望远镜的面积。由于其巨大的集光面积和先进的工程设计,GTC成为天文学研究中性能最好的望远镜之一。

    GTC的最终目的是促进世界级的科学观测。由于其位于Roque de los Muchachos天文台,该望远镜将允许研究天体物理学的关键问题,如黑洞的性质、早期宇宙中恒星和星系的形成历史、其他恒星周围的遥远行星的物理学以及宇宙中暗物质和暗能量的性质。

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GTC外部(上)和内部(下)图像(GTC官网)

 

凯克望远镜

    W. M.凯克望远镜(Keck I, II)坐落于夏威夷莫纳克亚山顶,海拔4200米,凯克I & II是两个完全一样的望远镜,它们分别是由36块镜面六角形组件构成,整体镜面直径为10米,每块镜面口径均为1.8米,而厚度仅为10厘米,通过主动光学支撑系统,使镜面保持极高的精度。该望远镜主要设备有三个:近红外摄像仪、高分辨率CCD探测器和高色散光谱仪。其任务为推动天文学的前沿,分享我们的发现,激发所有人的想象力。

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W. M凯克天文台的激光引导星自适应光学系统

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凯克二号望远镜拍摄的奥利安光解区的红外图像。 资料来源:Habart等人/W. M. Keck天文台。M. Keck天文台

 

甚大望远镜

    甚大望远镜(Very Large Telescope,VLT)是欧洲南方天文台建造的位于智利帕瑞纳天文台的大型光学望远镜,由四个主镜直径为8.2米的单元望远镜和四个可移动的1.8米直径的辅助望远镜组成。这些望远镜可以一起工作,形成一个巨大的 "干涉仪",即欧空局甚大望远镜干涉仪,使天文学家能够采集到比单独使用ATs或UTs更精细的宇宙细节。直径8.2米的单元望远镜也可以单独使用。用一台这样的望远镜,在一小时的曝光中可以获得暗淡到30等的天体图像。这相当于看到比肉眼所见的暗淡40亿倍的物体。

    VLT的主要科学任务为搜索太阳系旁邻近恒星的行星、研究星云内恒星的诞生、观察活跃星系核内可能隐藏的黑洞以及探索宇宙的边缘等。2022年,一个国际天文学家团队使用欧洲南方天文台(ESO)的甚大望远镜首次观测并确认一种新型的恒星爆炸,其强度约为新星爆发的百万分之一,暂命名为微新星。这一全新机制丰富和加深了人们对恒星爆炸的认识。

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帕拉纳尔全景图像 (网络摄像机目前正在维护中,将尽快全面投入使用)

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微新星细节的艺术家畅想图。白矮星(前景)和伴星(背景)构成的双星系统可能发生微新星事件。(图/Mark Garlick)

 

郭守敬望远镜

    郭守敬望远镜又名大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope ,LAMOST),是由中国科学院国家天文台承担研制的我国自主创新的、世界上口径最大的大视场兼大口径及光谱获取率最高的望远镜。是中科院国家天文台的国家重大科技基础设施,为一架视场为5度横卧于南北方向的中星仪式反射施密特望远镜。其科学目标集中在河外星系的观测,银河系结构和演化,以及多波段目标认证三个方面。2002年,我国天文学家基于郭守敬望远镜(LAMOST)时域巡天数据,发现了一颗距离地球大约1037光年,处于双星系统中的宁静态中子星。

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郭守敬望远镜与银河(来源:LAMOST.org)

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中子星双星系统的艺术图,蓝色为中子星,红色的是其伴星红矮星(绘制:喻京川)

 

500米口径球面射电望远镜

    500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)位于中国贵州省黔南布依族苗族自治州境内,是中国国家“十一五”重大科技基础设施建设项目。是利用贵州天然喀斯特洼地作为望远镜台址,建造世界第一大单口径射电望远镜500米口径主动反射球面射电望远镜,以实现大天区面积、高精度的天文观测,被誉为"中国天眼"

    FAST工程科学目标为:巡视宇宙中的中性氢,研究宇宙大尺度物理学,以探索宇宙起源和演化;观测脉冲星,研究极端状态下的物质结构与物理规律;主导国际低频甚长基线干涉测量网,获得天体超精细结构;探测星际分子;搜索可能的星际通讯信号。

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图13 夜空下的中国天眼FAST和美国甚大天文阵列望远镜(非实景图)

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快速射电暴和宿主星系艺术想象图。世界最大单口径射电望远镜中国天眼(左下)和空间分辨率最高的单口径光学望远镜凯克望远镜(右上)承担本研究观测。绘图: 喻京川、傅海

 

希望了解关于他们更多的信息,可以访问以下链接:

平方千米阵(SKA):https://www.skao.int/en/explore/science-goals/145/seeking-origins-life

阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列(ALMA):https://www.almaobservatory.org/en/about-alma/origins/ 

加那列大型望远镜(GTC):http://www.gtc.iac.es/ 

凯克望远镜(Keck I, II):https://keckobservatory.org/about/telescopes-instrumentation/ 

甚大望远镜(VLT):https://www.eso.org/public/teles-instr/paranal-observatory/vlt/vlt-names/ 

郭守敬望远镜(LAMOST):http://www.lamost.org/public/about

500米口径球面射电望远镜(FAST):https://lssf.cas.cn/ff8080814ff56599014ff5a1c1470045.html