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第十一期:光学望远镜特辑之欧洲极大望远镜E-ELT

已有 922 次阅读 2020-12-21 12:46 |个人分类:泰利斯科普|系统分类:科普集锦

欢迎来到泰利斯科普第十一期!

本期我们来聊聊号称目前世界上在建最大口径光学望远镜——欧洲极大望远镜(E-ELT,European Extremely Large Telescope),业界也直接称之为ELT,隶属于欧洲南方天文台(简称欧南台)。没错,就是在建。按照欧南台的计划,该望远镜的建设将于2024年完工,预计投资11.74亿欧元。

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老规矩,我们先上两张生图,感受一下。

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ELT渲染图1

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ELT渲染图2

欧南台是目前世界上最大也是成果最多的陆基天文台,由多个国家(奥地利、比利时、巴西、捷克共和国、丹麦、法国、芬兰、德国、意大利、荷兰、波兰、葡萄牙、西班牙、瑞典、瑞士和联合王国(英国)以及天文台所在国智利和战略合作伙伴澳大利亚)支持而组成的天文研究组织,负责建设各种天文设备。欧洲南方天文台也在推动和组织天文研究的合作中占有领导地位。

欧南台目前拥有多个世界级的天文项目,例如:阿塔卡马探路者实验(APEX,Atacama Pathfinder Experiment)、阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA,Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)、可见光和红外巡天望远镜(VISTA,Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy)等,由此可见该天文台在天文届的地位。

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欧南台天文设备概览图1

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欧南台天文设备概览图2

既然是世界上最大的光学望远镜,则它的选址肯定是要慎之又慎,选址团队层在西班牙、智利、摩洛哥和阿根廷等地进行了考察,最终选择了智利的阿塔卡玛沙漠。海拔、气候、每年100毫米的降水量、平均25公里/小时的风速等混合因素使之成为ELT最为理想的台址。

ELT已于2017年5月在智利阿塔卡玛沙漠中正式开建。

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ELT地基施工图1

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ELT地基施工图2

ELT主镜口径达39.3米,采用拼接主镜形式,由798块1.4米长、约5厘米厚的正六边形镜子组成。主镜的铸造工作交于德国的SCHOTT负责,材料用低膨胀系数的微晶玻璃材料——Zerodur©。Zerodur©材料最初就是为20世纪60年代的天文望远镜研制出来的,有着极低的热膨胀系数。欧南台位于智利的甚大望远镜VLT(Very Large Telescope)主镜也是采用该材料。

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ELT主镜镜坯

ELT是一种反射式望远镜,光学系统采用五反光学设计,同轴三反射镜+两个自适应反射镜。在确保超大进光量的前提下,通过三次同轴镜面反射系统,获得了420–840米焦距的天文观测指标,同时采用自适应光学技术,最大程度减少大气湍流的扰动。

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ELT五反光学设计

光线经主镜M1反射至位于顶部口径4.2米的凸面二级镜M2,经M2反射到位于底部正中口径3.75米的凹面三级镜M3,经M3反射至位于中部口径2.4米的四级平面镜M4,再经M4反射位于中部左侧2.7米*2.1米的五级平面镜M5,最后经M5完成最后一次反射。其中,M4和M5是自适应光学系统的部件。

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ELT光路系统示意图

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ELT光路系统示意图

ELT配备的终端仪器也是前所未有,目前已确定装载的有8个:一个高分辨率光学光谱仪;追踪多目标的广角近红外集成视场光谱仪(EAGLE);具有极高自适应光学系统的行星成像仪和光谱仪(EPICS);单视场的宽带光谱仪(HARMONI);中红外成像仪和光谱仪(METIS);限制衍射的近红外照相机(MICADO);大视场的多目标光谱仪(OPTIMOS);高光谱分辨率的近红外光谱仪(SIMPLE)。除此之外,还有6个激光导星仪,2个设备正在测试研究中。

ELT属于地平式望远镜,主结构包括方位轴和高度轴,总重达3400吨。圆顶离地面高度74米,直径达86米。

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ELT主结构设计

方位轴结构,不包含耐焦平台和地基,设计重量1288吨。结构是由不同截面的空心结构组成,在保持刚度的同时优化质量。方位轴位于静压轴承上,轨道内径34米,外径51.5米。

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方位轴结构设计

高度轴结构承载着望远镜光学系统,不包含承载单元和光学镜片的设计总重1498吨,几乎全部由各种直径的钢管组成。

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高度轴结构设计

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ELT完整的主体结构

最终,大科学装置还得回归到科学目标上。

ELT最大的科学目标是凭借超大进光量和较高的角分辨率,可以利用光谱分析来了解这些行星的大气成分等重要信息,发现并描述位于宜居带的岩石系外行星的大气层。除此之外,还将研究恒星及星系演化、早期宇宙及宇宙的起源、金属富集、高红移星系物理、暗物质和暗能量等。

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最后,我们通过对比一起来感受下ELT建成之后的壮观,下图分别是ELT和VLT、古罗马角斗场和凯旋门在同比例对比图。

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参考文献:

[1]Andersen T E , Enmark A , Linde P , et al. An integrated model of the European [2]Extremely Large Telescope[J]. Proc Spie, 2008, 7017.

[3]Library W E . European Extremely Large Telescope[J]. All Publications, 2015, 42(2):53-53.

[4]Dierickx P . The European Extremely Large Telescope[J]. 2007.

[5] Clare R M , Le M , Oberti S , et al. Adaptive optics simulations for the European Extremely Large Telescope[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2006, 7015:627234-627234-9.

[6] The E-ELT construction proposal book_0046

[7] Science with the European Extremely Large Telescope

[8] 巨型天眼——欧洲极大望远镜(E-ELT)蓄势待发!-牧夫天文

[9]世界最大光学望远镜E-ELT会刷新什么纪录?知乎-程亦之

[10] 全球最大的光学天文望远镜 ELT,像沙漠里的地球之眼-吴羚玮

[11]https://www.elt-uk.org/

 

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1 李毅伟

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