互动科普

探视宇宙奥秘的又一只巨眼

Gary Stix

在太平洋地区最高的山上，一项为期10年的艰苦努力即将连到它的最高潮——一台其性能可能超过空基天文观测站的望远镜将获取来自天空的第一束光。

从一座微红色火山灰小丘上俯视陡峭而曲折的山间道路，旁观者可以看见车队以几乎察觉不出来的缓慢速度费力地向上爬行。车队从海港出发，越过起伏不平的牧场地带，穿过墨黑色的火山熔岩区，经过天文学家们在海拔2800米高处的驻地，最后来到了从长期休眠的火山极其陡峭而不稳定的坡面上劈出来的一段狭窄的上坡路，爬越这区区100千米的路程，车队整整走了三天。一个人只要走得稍快一些就完全可能超过护送着巨大的平板车的四轮驱动车车队。两辆450马力的牵引车用一根10厘米粗的绳索彼此连接在一起，装载着一个八边形的钢箱，箱内装着一块22吨的玻璃，玻璃强度太低而无法支撑自身的重量。尽管有一层又一层的高技术缓冲衬垫在下面垫着，但是几个g的冲击力就可能使箱内的反射镜遭到损坏(从半米左右的高度掉到地上就会产生这样大的力)。如果反射镜受损，这台巨大的望远镜的建造工作(规划和制造用了10年时间)将会倒退若干年并额外花费成百万上千万美元。

钢箱的宽度远远超出了拖车轮距的宽度，因此，当拖车作急转弯时，它装的那脆弱的货物看起来似乎可能插入道路一侧的火山灰路堤中，或者可能滚下道路另一侧的陡坡。只要是在恰当的场合，现代技术能够引起人的冥想。在这里，由于既有冒纳克亚山内部流出的火山灰，又能清楚看见蓝色的大海，土、水、气、火这四大要素似乎就融合在一起了。当车队驶近山顶时——在夏威夷主岛居民信奉的古老宗教中，此山顶被认为是雪之女神的神圣住所——它看起来好像一个巨大的十字架，一串福特和丰田车构成了十字架的主干，而钢箱两边的突出部分则成了十字架的臂在高处，海拔4200米的一派月面景色中，双子座北方天文台那银灰色的圆屋顶在六月的强烈阳光下熠熠生辉，等待着接收那块奇异的玻璃——只要它一到场，这一现世宗教的纪念碑便算大功告成了。

古老的天神们会对这种渎圣的入侵行为感到愤怒吗？或许会的。如果你登上梯子来到这明亮的旋转半球建筑的顶端并伸开你的双臂，你就可以声称自己是世界之王。在一瞬间，弥的头顶就成了整个太平洋地区的最高点。

如此小心翼翼地把那块娇气十足的反射镜运到山顶标志着双子座工程最危险的一部分宣告结束，但它同时也意味着接下来6个月紧张工作的开始。工程表规定，工程师们必须在半年之内把望远镜的所有主要系统连接起来并进行测试以便该天文台能在圣诞节之前见到“第一束光”——也就是拍摄出它的第一幅宇宙快照。

如此紧张的工程安排与紧张的预算有关，同时也是被一种竞争的紧迫感所促成在始于1998年5月的一段为期10个月的期间，双子座望远镜和其它一些大型天文仪器——包括欧洲南方天文台在智利北部的甚大望远镜以及日本国家天文台的望远镜——将捕获其第一束恒星星光。日本的那台望远镜名为“昴星团”，它建在另一座仅有几百米远的满布岩石的火山锥顶上。

双子座北方望远镜将不是最新一代望远镜的最大者，它还缺乏全套的光学与红外摄像机以及分光仪，而它的一些竞争对手则装有此类仪器。但这台望远镜的建造者们决心要在收集电磁波谱的红外区图像时击败其竞争对手。天文学家们在探测天字中的恒星形成时——这些区域被吸收可见光的尘埃所遮蔽——红外线是相对而言还未涉足的一个波段天文学家们也通过红外线观测来寻找最早的星系，这些星系以难于想象的高速度离开我们运动，因此它们发出的辐射向着红外波长移动。

到12月中旬，在这个巨人玩具的部件中拨弄一番——有的部件仍然横七竖八地堆在钢制地板上——就可以看出双子座北方望远镜的与众不同之处。随着金属碰击的轰隆声在这座直径36米的圆顶建筑物内回荡，该项目的头头，一位健谈的英国人Malt Mountain带着明显的自豪神情凝视着这台约有20米高的望远镜的顶部。在顶部，一个直径10米的副镜将把直径81米的主镜收集的光聚焦成密集而稳定的光束。大多数望运镜的上部都有一个密实的桁架结构用于安放各种专门仪器，而在职子座北方望远镜上只有两块细薄的交叉钢制叶片位于主镜和天穹之间，好像某种弓形腿的十字叉。Mountain说：“这个十字叉发出的辐射直接进入望远镜的光束中。”有的辐射使得冷冰冰的钢在红外探测器上也显得像是一个炽热的炭架一样发出光辉，从而可能淹没微弱的星际信号。Mountain指出：“十字叉做得越薄，它发出的辐射也就越少。”

Mountain——他发誓说他的名字决不是请他当项目主任的先决条件——随口说出了一连串的减少红外线辐射的设计措施，例如在反射镜上镀上银涂层。镀银和其它一些措施应当把望远镜本身产生的背景红外辐射减少到3%到4％，比地基天文台通常达到的水平的五分之一还低。Mountain接着讲了一些设计高级望远镜的入门知识。他讲述了巨大的铝制风门如何像巨大的嘴唇那样张开又台上，以便把圆顶屋内造成图像畸变的紊乱气流吹掉，这些气流是望远镜、圆顶屋及周围空气之间的温度差所产生的涡流。Mountain说：“我们可以使300吨重的钢制部件的温度降到和环境温度相差不到1度。”

对设计的细节这样认真，应当使双子座望远镜能够在近红外波段发现小至百分之七弧秒的特征。这一精度超过了哈勃太空望远镜用它那比较小的2.5米望远镜所能达到的精度。一弧秒为一度的3600分之一。双子座望远镜这样高的分辨率使得天文学家理论上能够看清楚350公里远处国际空间站上的“NASA”(美国航空航天局)标志，如果它发出红外光的话。

Mountain学的专业是天文学，他的职业生涯有很大一部分时间都用在建造并改进红外天文仪器上。在双子座望远镜项目之前，他曾组装过冒纳克亚山上附近的英国红外望远镜上的红外分光仪，后来又曾管理过该望远镜光学系统改造的前期工程。

在来到山顶上的前一夜，Mountain一直照看着他那患哮吼病的一岁儿子，直到午夜过后才睡觉。天文学家的夜生活习惯使Mountain很适合当父亲。而在那之后的几周中，当第一束光标志着某种类型的新生时，他的不眠习性将是用得着的。这位42岁的天文学家个子高大，略显粗壮，有着一头褐色卷发。他可能不是因为他的名字而被聘用，而他那平易近人、放开手脚的管理作风使他很适合周旋于此项目的各种人员之间，包括一些权势很大的科学家以及7个国家的政府官员。

现在离圣诞节充其量不过1个星期了，Mountain心里很清楚，双子座望远镜最早也要到1月中旬才会拍摄到它的第一批红外天空图像。由于日程安排是4年多以前定下来的，这一推迟本来只是一点小小的耽搁而已。但是实际上，无论是Mountain还是项目主管Jim Oschmann都只有在下令把圆屋顶的缝向夜空打开，并使这个342吨重的庞然大物对准一颗恒星的微弱光点后才会真正知道还有哪些工作要做。

洞穴般的圆屋顶内充满了一种期待的气氛穿着褐色工作服的工程师和技术人员像猴子一样吊在望远镜的构架上。修理金属镜盖的折叠片圆屋顶内没有暖气，因此技术人员只得忍受着刺骨的寒冷安装光纤和电气线路。电工Andrew Gushiken说：“我还需要两个肺才行。”他指的是这里时氧气太稀薄，比起低几公里的海而上的潜水者和冲浪者，他们呼吸到的氧气要少40%，工作人员正在反射镜室的内外忙着进行最后的调节。反射镜室是一个巨大的蓝色圆筒状结构，它支撑着反射镜并在计算机的控制下使它弯曲成正确的形状。近处的一块白板上写着一行潦草的字提醒那些想要歇口气的人“无人监督，自觉工作。”

Mountain挥舞着双手强调说：“接收第一束光晚一个月并不算什么，但我们不能再拖延了。这个项目以及未来项目的可信度全在于此。”如果工期再拖延下去，就有可能使工程小组赶赴智利北部的计划向后推迟。在智利北部，一台一模一样的望远镜将在它的北方姊妹满两岁之前张开它的眼睛观测宇宙(因此这个项目得了“双子座”之名)。凭借双子座北方望远镜和南方望远镜，天文学们将能够制定一项把整个天空全部囊括在内的观测计划，从大小麦哲伦云中的恒星形成区域到哈勃深场(Hubble Deep Field)中的星系。它是现今仅有的具备此种能力的新一代望远镜。

Mountain和他的小组感到时间特别紧迫的另一个原因是双子座项目是一个公共工程。它不仅提供了一个更广阔的天空视野，而且，有机会在这台望远镜上获得观测天空的时间的天文学家比美国其它任何大型望远镜都多。双子座望远镜将成为“人民望远镜”，成为美国、英国、加拿大、澳大利亚、阿根廷、巴西和智利的国家八米望远镜天文台。与私人投资建造的望远镜不同，这些国家的任何一位天文学家，只要能够说服一个评审委员会接受其研究建议书，都可以使用双子座望远镜。

美国政府承诺出钱负担双子座项目一半的费用，但它同时也提出了一个封顶的限额——8800万美元，以免陷入不得不多付钱的境地。双子座北方望远镜工期的拖延可能会使造价增加，从而使该项目难于争取资金在今后几年中为望远镜配备齐全的仪器。

在双子座项目的整个实施过程中它一直在资金缺乏的泥潭中苦苦挣扎。Mountain指出，该望远镜简单到不能再简单的没计方案，既是工程技术人员高超的设计才能的证明，同样也是成本核算的严格要求的证明。望远镜简化的顶部虽然限制了红外背景噪声，但却是牺牲了许多天文学家渴望安装的宽场照相机为代价的(此照相机可对广阔天区进行巡天观测)。由于牺牲了这台照相机以及其它一些装置，双子座项目小组得以把望远镜的造价控制在目前的1.84亿美元的水平上。预算增加的唯——个方面是花8百万美元购置了性能更好的传感器和部件以在智利为反射镜镀一层银。

相比之下，日本拿出了5亿美元来建造它的一台望远镜，看来为了在天文学的前沿领域占据一个显赫的位置它花多少钱都不在乎。Oschmann指出，“有这样多的钱我们可以搞3到4台双子座望远镜了。”

Mountain对工期和造价的关注也源于双子座项目实施的最初几年中遇到的争议。就在Mountain1992年被聘为项目科学家之后，不过几个月(1994年他才被升为项目主任)，该项目几乎突然遭遇下马的命运。事情起源于亚利桑那大学对该项目的反射镜铸造工程合同发包给(Corning公司)提出了异议(该公司是招标中出价较低的投标入)Mountain说以杰出的J. Roger Angel为首的亚利桑那大学反射镜实验室“认为此合同理所当然该归他们得到。”

Angel的小组提出的异议是，这一巨大的“隐形眼镜”——宽达8米，但只不过20厘米厚——将在天文台圆屋顶内轻微的空气流中发生屈折，从而使入射的恒星星光发生畸变。该大学争论说，此设计同他们自己设计的反射镜相比其支撑性能较差，因为后者是用一个刚性的硼硅酸玻璃制蜂窝结构支持着薄镜面。在随后进行的激烈辩论中，由国家科学基金会组织的一个独立委员会建把该合同改发给亚利桑那大学。

在随后的11个月中，双子座项目小组不得不寻找理由为最细微的设计细节辩护Mountain回忆说：“这场知识辩论的程度可以从一个例子看出来。在一次会议上，来自亚利桑那大学的竞争者们拿出一块切成圆形的一码长的窗玻璃猛力摇晃着说，‘双子座望远镜的镜面就会象这样松软。’”

Mountain接着说：“这是我第一次同美国天文学界打交道。当时我说我接过这项工作究竟干了什么呢。”这场激烈争论几乎断送了双子座项目，但是另一个设计审查委员会——由国家科学基金会以及天文研究大学联台会任命——支持双了座项目小组最初的定并让此项目沿着当初的方向继续进行下去。

Mountain从双子座项目设在港口城市希罗的办公室出发，登上冒纳克亚山，观看这个项目通向“第一束光”的前进道路上的许多里程碑之一。在山顶上工作的工程小组最近几周已完成了一系列检查核对工作，该小组工作人员给主镜加上外罩，将其移入圆筒形反射镜室内。现在该把主镜放入其镜座上并在高耸的望远镜架上固定好了。

在工作继续进行下去的同时，Mountain和Oschmann从望远镜架的维护平台上向下观看一块像游泳池那么大的闪闪发光的凹状金属结构，该结构支撑在圆屋顶一侧的一个平台上。在反射镜旁边的脚手架上，项目光学系统主管Larry Stepp以及光学机械工程师Eric Hansen正在上紧把反射镜牢牢固定住的螺栓，这样，即使发生地震也不会把镜面从反射镜室中震出来。他们缓慢而谨慎地转动着扳手，就像眼科医生用手术刀对角膜作手术时那样小心翼翼。如果扳手不慎掉下去，就可能产生一道无法去掉的擦痕。

Stepp对站在上面的Mountain和Oschnann喊道：“老实告诉你们，我最不感兴趣的就是这些部件了。”他还对需要在主镜表面的上方进行手工调节感到痛惜。在双子座项目小组中，Stepp扮演了反射镜庇护者的角色，他总是要求大家尽可能表现出最大的小心谨慎，以确保这块造价1千万美元的玻璃珍宝保持完好无损。任何人如果要在暴露的反射镜而上方工作，都需经过Stepp的同意。Moutain和Oschmann有时为了使工作进度不受到影响，不得不推翻Stepp的一些过份小心谨慎的安排。

当然，Stepp的谨慎是完全可以理解的。反射镜本身就是一项杰作，世界上以来有一颗宝石被加工得如此对称和均匀，从整个镜面的最高处到最低处，镜面高度的变化不超过16纳米(1毫微米为10亿分之1米)，这是双子座项目小组在它与REOSC鉴订的合同中最初规定的误差的一半。镜面上任何一点与绝对平滑面相差不超过140纳米。Mountain说：“如果你把这块反射镜拉开后铺在整个大西洋上，那么最高的波浪只有1英尺。”

反射镜表面的质量事关所有新望远镜孰优孰劣的面子问题。在双子座望远镜镜面被磨光后，日本昴星团项目的一位科学家访问了双子座项目办公室，询问他们取得的成果。昴星团望远镜的镜面在抛光后，其精度将超过双子座望远镜镜面精度4个纳米。这样，双子座项目组就把昴星团项目的结果告知了REOSC，当时后者正在抛光预定将用在智利塞洛帕齐翁双子座南方望远镜上的镜片。

反射镜室在圆顶屋地板上移动几米的过程本来只应当用几分钟的时间，但实际上却花了整整一个半小时。800吨重的反射镜室支撑在一个有点像气垫船的装置上，它振动着缓慢地朝前爬行但这一运输过程一再因地板与望远镜所在的旋转中央平台之间的空隙而受阻。两位工人怒气冲天地轮流拉紧一根缆索，把反射镜室朝前拖。还有一位工人则在缆索上跳上跳下，用自身的重量帮助朝前拖。

为了使项目取得胜利进展，工程技术人员创造出了数十种这类临时凑合的解决办法。两天以前，负责把双子座项目众多的单个系统整合到一起的John Fithaber曾协助3位同事搬动副镜，这是一块重60公斤(130磅)、价值超过1百万美元的玻璃盘。他们戴着医生用的口罩和洁净室用的帽子，穿着白大褂和靴子，小心翼翼地把这块反射镜搬过邻近一座天文台的混凝土地板就像移动一件家具一样。如果在从清洗站到真空涂复室的搬运过程中出现一次不小心的颠簸，这块珍贵的玻璃板就可能完蛋了

Filhaber本来一万个不愿意搞这样一次极为冒险的搬动。但是双子座项目自己的涂复室——据项目的宣传资料称，它是世界上最先进的涂复室——在10天前的一次马拉松式通宵的运行中出了故障涂复室中有一台磁控管。它使用氩等离子体把铝原子从一块金属板上打出来，让它在反射镜表面上沉积成一层极纯的反射膜(整个8米反射镜面上所用的铝、仅相当于制造一个易拉罐要用的铝。)

皇家格林威治天文台——英国资格最老的科研机构——制造了这个涂复室。但是去年，这家历史悠久的研究机构由于被预算问题所困扰，显然在为它自己即将寿终正寝而操心，再也顾不上它与双子座项目签订的合同了。Filhaber抱怨说：“他们是在其气数将尽时制造这个涂复机的，现在问题冒出来了。”

到12月初，Filhaber已经一连奔忙了好几个月，想使涂复机正常运行，而他的其它职责——把双子座项目的各个不同子系统综合起来——则被抛到脑后管不了那么多了：涂复室仍然不是百分之百地正常，但双子座项目组已经不能把主镜的涂复工作推迟下去了。这样，在一个漫长的工作中，Filhaber和3位技术人员一连苦战7个小时，眼睛一眨不眨地死盯着测量流过磁控管的电流的仪表。Filhaber说：“它以前从未运行这样长的时间而不出问题，我们甚至屏住了呼吸。”

然而，就在还剩20分钟，把最后一部分镜面涂上铝膜就可大功告成的时候，电压突然一下降到零，电流强度却急剧上升，机器发生了短路，不得不停下。乍看起来这似乎无异一场灾难。磁控管可能已经在反射镜表面上弄出伤痕重新启动机器可能使涂层产生波纹，他们甚至可能不得不刮掉铝膜全部从头开始。

Filhaher说：“我们把这一事故比作阿波罗13号从月球返回那次飞行我们的生命并未受到威胁，但反射镜却处于生死关头，而它就是我们的生命。”

35岁的Filhaber是一个众所周知的“拼命三郎”，他还在哥伦比亚大学读书的时候就曾趁夜间悄悄攀登过乔治一华盛顿大桥和布鲁克林大桥。而且，他还带着那股惯常的鲁莽劲头补充说：“我有这种让任何事情都行得通的非凡本领。”他把这一挫折看成是对自己的挑战，并开始着手凭眼睛对磁控管作准直调节，以完成涂复工作。Filhaber和小组其它成员屏息静气重新开动机器，结束了这项工作，得到的反射镜镜面具有足够好的涂层质量，为接收第一束光作好了准备。

由于双子座项目组的机器仍然不正常，Filhaber和小组成员必须借用邻近的加拿大-法国-夏威夷望远镜天文台的涂复室。他顺利地把副镜搬到了这个涂复室内。1月下旬，Filhaber离开了双子座项目，因为他的家人一直未能适应希罗的乡间生活。望远镜一般建在闭塞的偏远地区，住在这种环境中的人都会遇上这种职业问题。

标志着第一束光的里程碑其实不过：是随意走走过场的形式而已。对于双子座望远镜来说，这并不意味着它已经准备好交付给天文学家、让他们在今后每一个晴朗的夜晚搜索天空。确切地说，这个里程碑应当是双子座项目主管，它的两位科学家以及公关经理作出这样的判断——可把借来的一台红外摄像机获得的大量图像中的几张向外界展示而不会受到天文学界的批评。

真正的第一束光出现于12月下旬，而且它同高中的科学项目奇妙地相似。从巨大的玻璃抛物面上反射的星光在一块硬纸板上聚焦成一个个几毫米大小的光斑。这张值两美分的硬纸板代替了价值一百万美元的副镜(副镜尚未安装到望远镜架上)该光点是木星的图像，借助此图像可对巨大的主镜进行校正。

从12月下旬到整个1月该项目逐步地通过了其它各项检查，每项检查都可被看作是第一束光的标志。但是，由于出了一些机械和软件方面的故障，整个工程还是被推迟到它的截止期限——1月中旬以后到1月29日，双子座己准备好对准天空进行又一次“第一束光”的仪式，即在主镜和副镜都已安装就绪的条件下拍摄一系列的图像。

那天午后的9点30分，除了计算机屏幕发出的绿光之外，整个双子座望远镜圆顶屋都沉浸在一片黑暗中随着一阵低沉的机器嗡嗡声，圆顶屋的缝打开了，立刻就使得屋子的内部沐浴在满月的光辉之中。望远镜竖直朝上，指向天顶。有意思的是，它刚好瞄准了双子星座两颗最亮的星——北河二(双子座α星)和北河三(双子座β星)。

经过几小时，在解决了软件的一系列毛病之后，一颗恒星的图像出现在双子座计算机的屏幕上。这个天体没有名字，只是根据天文学家们喜欢汇编的众多星表系统之一给它取了1253这个编号。它在山顶的控制室和在希罗的基地办公室计算机屏幕上都呈现为一个畸形的假彩色桔黄斑点(大多数天文学家夜晚都在基地办公室观测天空)。在山顶上，Oschmann急不可耐地对主镜的作动器进行手动调节，以校正固象散面引起的图像在重直方向上拉长的现象。几分钟后，一个相当圆的球形图像出现在显示屏上

Oschmann的调节使分辨率在几分钟内从10弧秒改进到1弧秒，面对于老式的4米望远镜，这一过程有时要用几年的时间。在希罗，Moutain在计算机终端上观看图像并通过电视会议监视器观看了Oschmann的操作。到处都是一派喜气洋洋的气氛但Moutain的神色却显得闷闷不乐，这并不是因为《火奴鲁鲁-广告报》(Honolulu Adverliser)那天早晨在头版登载了昴星团望远镜摄得的一幅猎户座星云照片，而他本来非常希望这幅图像能属于双子座望远镜的成果，Mountain稍后解释说他的不安主要是同实施一个大型科研项目的庞大复杂的规模有关：“我们费了九牛二虎之力才达到今天这种程度，而现在我们意识到艰巨的工作才刚刚开始。”

Oschmann在看了同一份报纸后，本来打算把昴星团望远镜摄得的照片在山顶上贴出来让大家看，并在下面写上这样一段话：“伙计们，我们到这一步还需要多少天。”但Mountain关于艰难的任务还前头的那段话被证明是更有先见之明的。

正式宣布第一束光不得不推迟到二月中旬以后，关于所有系统都可以迅速组装起来并使其马上投入运行的打赌没有产生什么效果。双子座望远镜设计得很轻的顶端——它降低了望远镜的造价，并有助于红外波段上观测天空——现在被证明是它的一个薄弱环节。望远镜镜架在风中的晃动造成图像模糊，但它的一个软件和硬件系统却无法使副镜移动得足够快以抵消这种模糊效应。因此，必须对软件和硬件作重大修正在随后的几周中，如入果双子座望远镜交上好运，碰到一连串凉爽而晴朗的夜晚的话，它仍然可能摄到给人深刻印象的首批图像向大众发布。然而研究人员却不得不等待雪、冰，并且特别是强风的停息——任何14千米高处的天文台冬天都会遭到这类恶劣气候的困扰，哪怕是夏威夷也不例外。再耽搁下去将使这个项目再次受到巨大的费用压力(望远镜一夜的运行费用为3万美元)。

第一束光实际上标志着为期l5个月的紧张工作的开始，在这段时期中，工程师和天文学家们将携手合作对双子座望远镜进行调试，使其达到要求极高的亚弧秒分辨率的标准。为了充分发挥双子座望远镜的潜力，工程师和天文学家将采用自适应光学系统来补偿可能影响望远镜成象的大气湍流。

如果双子座项目的一切工作进行顺利的话，到2000年中期的某个时候，天文学家将完全接管这台望远镜。而在这一接管之前很久，许多工程师就将收拾他们的褐色工作服，前往智利北部。在那里，当他们组装冒纳克亚山上的装置的南方姊妹时，将有机会从过去的失误中吸取教训。Mountain试图使他的同事们想得更远一些，考虑双子座南方望远镜完工以后该做些什么。他们难得享受的一些空闲时间里，Mountain要求同事们想想，建造一台50米的望远镜将需要做多少工作。或许这台望远镜将由一系列互相关联的镜片组成，就象冒纳克亚山上大名鼎鼎的凯克望远镜那样，每块镜片的大小可能都与双子座的主镜不相上下。对大口径望远镜的追求——某天文学家称其为“孔径热”——可能永远不会结束，宇宙的宏大尺度决定了望远镜再大也不过分。

【郭凯声／译；冉隆华／校】