请思考一下：天文学家认为哈勃太空望远镜很小。这可能会让你感到惊讶，因为哈勃望远镜三十年来拍摄的图像具有深度和细节，这是大多数地面望远镜无法实现的，以至于大众普遍认为该望远镜一定是建造过的最大的望远镜之一。
但它的镜面只有 2.4 米宽。这不算非常大。即使是更新的詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST)，现在也像哈勃望远镜一样捕捉到令人惊叹的图像，其镜面也只有 6.5 米宽，这在天文学家看来也只是中等到大型的范围。当然，这些望远镜是用火箭发射到太空的，这个过程本身就限制了望远镜的体积。在地球上，有更大的望远镜：智利的甚大望远镜有一个 8.2 米的镜面，夏威夷的双子克克望远镜每个都有巨大的 10 米宽。目前正在建造几架巨大的望远镜，包括智利的巨型麦哲伦望远镜（它有七个 8.4 米的镜面，相当于一个直径超过 22 米的单镜面）和夏威夷的三十米望远镜。
目前正在建造的最强大的望远镜是欧洲南方天文台的极大望远镜，简称 ELT，它将在 2028 年完工后，达到惊人的 39 米宽。它将是迄今为止地球上或地球外最大的可见光和红外光望远镜。
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ELT 很可能是有史以来建造的最大的望远镜。原因可以归结为成本（不足为奇）、工程技术以及几何定律的不可抗拒性。
最后一个因素是限制巨型望远镜尺寸的决定性因素。天文学家有时将望远镜称为“集光桶”，因为它们像雨中的桶收集水一样收集穿过太空的光。桶越大，收集的雨水就越多。微弱的物体只有极少的光线能到达地球。更大的望远镜收集更多的光，因此原则上它可以看见更微弱的物体、更遥远的星系和更古老的恒星。经过几个世纪的观测，我们已经看到了天空中大多数明亮的物体，因此现在天文学的前沿是寻找更暗淡的物体。
更大的望远镜还有另一个优势：它们具有更好的分辨率，这意味着能够看到精细细节的能力。将望远镜的宽度加倍，就能探测到宽度减半的细节，从而将遥远的星系显示为不仅仅是微小的污迹。
由于这些原因，天文学家总是想要更大的望远镜。问题是，超过一定尺寸（大约 8 米宽）后，单片式望远镜镜面非常难以铸造、抛光和使用——仅仅建造一个支撑如此巨大物体重量的结构就令人望而却步。望远镜镜面的面积与半径的平方成正比，因此 10 米望远镜的面积（以及大约四倍的体积，因此重量）将是 5 米宽望远镜的四倍。*
为了克服这个障碍，天文学家转向了分段镜面，有效地将几个相对较小的镜面组合成一个更大的镜面。这些镜面通常呈六边形，因为六边形可以很容易地平铺成大型阵列；JWST 就使用了这样的排列。背面的小型马达倾斜和倾斜这些分段，以确保它们尽可能精确地组合在一起。更好的是，这些镜面可以做得非常薄，并且可以根据需要变形其形状，以克服地球大气层引起的模糊。空气是一团沸腾的气态汤，扭曲和分散来自宇宙的光线（这种现象是星星闪烁的原因）。但是，借助高度精密的传感器和致动器，光路中的特殊镜面可以在毫秒内变形以校正这种湍流，从而提高望远镜的分辨率。地面望远镜经常采用这种“自适应光学”技术来获得与哈勃望远镜和 JWST 一样清晰的图像。
这种方法使得 ELT 如此巨大。除了自适应光学镜面外，主镜面的 798 个独立镜面分段（每个 1.4 米宽）还具有多个自动控制系统，以保持它们的对齐。
该系统可想而知价格昂贵；ELT 的总基线成本估计约为 2023 年美元 15 亿美元。这只巨兽的工程技术也处于最前沿。它需要一个 80 米高、88 米宽的巨大穹顶，以及一个配备减震器的地基，以缓冲振动。
这些参数是 ELT 可能是有史以来建造的最大的地面望远镜之一（如果不是最大的）的原因。将来有可能建造稍微大一点的望远镜，但任何明显更大的望远镜都将花费数倍的资金，并带来相应更大的工程难题。事实上，ELT 最初的想法被称为 OWL——OverWhelmingly Large Telescope（极其巨大的望远镜）——它本应达到惊人的 100 米宽；经过多次审查，一个天文学家小组决定，更适度的 39 米就足够了。
我们需要更大的望远镜吗？ELT 的尺寸是为了满足天文学界的科学需求而确定的。这些需求包括直接成像附近的系外行星——包括与恒星距离适中，拥有液态水的地球大小的世界——以及回溯到宇宙中最早的星系诞生的时代。更大的望远镜可以做更多的事情，但目前，ELT 正处于天文学的最前沿。它可能会为未来更大的望远镜奠定基础，但它们的时代尚未到来。
这样的未来可能会因其他原因而推迟。天文学家可能会转而采用一种数十年前的技术，称为干涉测量法，即结合远距离射电望远镜的观测结果，来模拟更大望远镜的分辨率。事件视界望远镜就是一个射电干涉仪，它观测了银河系中心的黑洞以及星系 M87 的黑洞。它结合了地球各处的望远镜，有效地构成了一个我们整个地球大小的天文台。
听起来不错，但可见光观测的干涉测量法存在两个问题。一是它受到所用单个望远镜面积的限制，因此看到微弱的源——天文观测的一个关键方面——仍然是一个问题。另一个是组合观测尺度与探测到的光频率的难度，因为可见光频率可能远高于无线电波的频率。可见光干涉测量法已经在使用靠近在一起的望远镜实现了——甚大望远镜干涉仪使用了四个八米望远镜，彼此相距几十米。更长的基线是可能的，但它们极具挑战性，需要纳米级测量精度。然而，如果可见光干涉测量法最终可以在更长的基线下实现，它将减轻对比 ELT 更大望远镜的需求。
鉴于所有这些，如果有可能，天文学家会想要更大的望远镜吗？是的，显然会。而且一个更大的望远镜可能比一个更小巧、更灵活的太空望远镜成本更低。
或许未来会发现可以克服创建巨型可见光望远镜的一些障碍的技术。例如，我们可能会在月球上建造天文台，那里的低重力和没有大气层比地球上的仪器设置提供了巨大的优势。一个直径一公里的射电望远镜，坐落在月球陨石坑中，已被提议用于月球背面，免受地球干扰。虽然射电望远镜比可见光望远镜更容易建造，但如果我们假设在月球上建造如此庞然大物，那么可以探测可见光的望远镜也是值得考虑的。这是一个梦想，但技术有将梦想变成现实的方法。
永远不要说永不。ELT 可能是建造过的最大的望远镜，并且可能会保持这个记录很长很长时间——但也许不会永远。
这是一篇观点和分析文章，作者或作者表达的观点不一定代表《大众科学》的观点。
*编者注（2024 年 3 月 6 日）：这句话在发布后经过编辑，以更正镜面面积与半径平方成正比的描述。*