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神奇“慧眼”可探百亿光年外宇宙

2018-09-03 09:26 来源:南方日报

  2018年7月,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(以下简称“长春光机所”)完成了4.03米大口径碳化硅反射镜研制,这是目前世界上口径最大的单体碳化硅反射镜。通俗来说,反射镜就像一只“大眼睛”,如果把它装到天文望远镜里,将极大提升望远镜的分辨率。

  这项成果标志我国光学系统制造能力跻身国际先进水平,并为我国大口径光电装备跨越升级奠定了坚实基础。从粗糙的镜坯到精细的镜面,要经过怎样的制作过程?造大口径反射镜究竟难在哪里?科研人员如何“十年磨一镜”?本期科技能见度,就让我们一起来探寻这只“大眼睛”的不同寻常之处。

  口径决定天文望远镜观测极限

  自1609年伽利略发明天文望远镜以来,无论是从地面仰望星空,还是从空间俯瞰大地、纵观寰宇,想要使光学系统的观测能力不断提升,都离不开一个关键——口径。

  在光学望远镜中,能够分辨两个相邻物像的极限分辨角越小,光学望远镜的分辨率就越高,而极限分辨角由光的波长和主反射镜的直径决定。

  著名的哈勃太空望远镜,口径达到2.4米,最远已可观测到距离地球134亿光年的宇宙深处。AEOS先进光电地基望远镜,口径为3.67米,可探测近地轨道上0.1米大小的碎片。锁眼12(KH—12)卫星相机,口径超过3米,对地分辨率可达0.1米,这也是目前人类可以获得的分辨率最高的空间对地遥感数据。

  大口径光学反射镜是高分辨率空间对地观测、深空探测和天文观测系统的核心元件,其制造技术水平是衡量一个国家高性能光学系统研制水平的重要标志。

  记者从长春光机所了解到,现代大口径光学系统均采用反射式结构,其中主镜口径直接决定了系统的分辨能力,同时也是系统中制造难度最大的核心关键;当口径超过一定量级时,会对光学材料和光学加工带来巨大挑战。

  为保证望远镜的分辨率和成像质量,光学系统对反射镜的面形精度有着苛刻的要求。对于大口径光学系统而言,这种精度要求不会随着口径的增大而降低。

  以可见光波段观测为例,面形精度要求至少在1/30以上波长,可理解为光滑的镜面起伏不超过20纳米。这就好比将4米量级的反射镜放大到北京市大小的面积上进行土地平整,其中的难中之难,则是土地平整度要小于1毫米。如此高的面形精度,对于反射镜镜坯材料和光学加工技术都提出了苛刻要求。

编辑: 罗予岐

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