当天文学家将望远镜指向天空以观察遥远的超新星或类星体时，他们正在收集数百万甚至数十亿光年穿过太空的光线。即使宇宙中巨大而强大的能量源，从如此遥远的距离观察时，也显得难以想象地微小和微弱。为了了解大爆炸后不久形成的星系，以及附近但更小更暗淡的天体，天文学家需要更强大的望远镜。
对于那些需要非凡灵敏度和尽可能清晰图像的项目来说，或许最典型的例子就是搜寻其他恒星周围的行星，我们试图探测的天体离其恒星非常近，并且亮度大约是其十亿分之一。寻找类地行星是下一代望远镜最令人兴奋的前景之一，并且最终可能导致发现外星生命迹象。
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研究望远镜中的探测器已经非常灵敏，几乎可以捕获每一个入射光子，因此只有一种方法可以探测到更暗淡的物体并解析更精细的结构：建造更大的望远镜。大型望远镜不仅可以捕获更多光子，还可以产生更清晰的图像。这是因为光的波动性限制了望远镜的分辨率，称为衍射极限；图像的清晰度取决于光的波长和望远镜的直径。
作为光学科学家，我们对下一代望远镜的贡献是找出如何制造它们所依赖的巨大镜面，以收集来自遥远的光线。以下是我们如何完善这项技术，这将为未来的天体物理学发现铺平道路。
多个镜面
问题是如何建造比当前一代望远镜（有效直径为 8 到 12 米，即 26 到 40 英尺）大得多的东西。最大的挑战之一是制造更大的镜面来收集光线。
首先，了解望远镜的基本光学布局会有所帮助，这里以在智利建造的巨型麦哲伦望远镜（GMT）为例。一个大的主镜收集入射光并将其反射到焦点。光线被较小的副镜第二次反射，以在主镜下方安全且可访问的位置形成仪器上的图像，并在那里记录图像。
由一整块玻璃制成的大于 8 米的镜面将过于昂贵且难以操作。参与建造巨型望远镜的每个人都同意，解决方案是用多个较小的镜面制作主镜。多块玻璃成形并对齐，形成一个巨大的镜面，称为分段镜面。只要分段镜面的表面位于一个连续的近抛物面（称为母面）上，分段之间的间隙是可以接受的。
目前正在开发中的三个超大型望远镜（ELT）项目对这种分段主镜的设计做出了非常不同的决定。其中两个 ELT，即欧洲 ELT和三十米望远镜，采用了夏威夷的 10 米凯克天文台望远镜首创的方法——它们将用数百个 1.5 米的分段组成一个巨大的镜面。
第三个项目，巨型麦哲伦望远镜，则采取了不同的方法。其 25 米的主镜只有七个分段。它们是可以制造的最大单面镜，也就是我们在这里的亚利桑那大学理查德·F·卡里斯镜面实验室生产的 8.4 米（28 英尺）蜂窝镜。 GMT 的 3 米副镜也有七个分段，每个分段与主镜的一个分段配对。
大，硬且轻
大型镜面分段保证了其整个大面积上的光滑表面。主镜中的分段越多，其精度就越取决于它们的精确对齐，以使其保持在母面上。由于 GMT 中主镜和副镜分段的配对，形成清晰图像所需的精细控制可以通过移动副镜的小而灵活的分段来完成，而不是通过移动 8.4 米的主镜分段来完成。 8.4 米蜂窝镜的第二个优点是它们强大的传统，包括在目前世界上最大的望远镜，即亚利桑那州的大型双筒望远镜中使用。
使用大型镜面的挑战之一是它在自身重量和风力的作用下容易弯曲。镜面暴露在风中，就像游艇上的帆一样，但在图像变得模糊之前，它只能弯曲约 100 纳米。克服这个问题的最佳方法是使镜面尽可能地坚硬，同时还要限制其重量。
我们通过将镜面铸造成轻质蜂窝结构来实现这一壮举。每个镜面顶部都有一个连续的玻璃面板，背面有一个几乎连续的背板，每个面板都大约一英寸厚。将这两个板固定在一起的是一个蜂窝结构，该结构由六边形图案中半英寸厚的肋条组成。我们的蜂窝镜厚 70 厘米，这使得它们足够坚硬，可以承受重力和风力的作用。但是它们 80% 是空心的，每个重约 16 吨，足够轻，不会在自身重量下明显弯曲。
制作镜面
我们首先将玻璃熔化到一个复杂的模具中，该模具是我们最终想要得到的蜂窝镜的负像。当玻璃熔化时，熔炉以每分钟五转的速度旋转；离心力将玻璃表面推入凹抛物线形状，从而可以聚焦来自遥远恒星的光线。观看下面的视频，了解蜂窝模具的构造和旋转浇铸过程。
旋转浇铸的镜面表面尚未达到制作清晰图像所需的光学质量。但是旋转使其具有正确的整体曲率，并省去了我们从平面上研磨出 14 吨玻璃的麻烦——这几乎与成品镜面中剩余的玻璃一样多。
抛光表面
接下来，我们需要将表面抛光到小于光波长的一小部分精度，以便它形成尽可能清晰的图像。镜面表面必须与理想的近抛物面匹配到约 25 纳米的精度——约为人类头发宽度的 3 万分之 3。这真的非常非常光滑；如果将镜面放大到北美洲的大小，最高的山将是一英寸高，最深峡谷将是一英寸低。
为了指导我们的抛光工作，第一步是创建一个镜面表面的超精细轮廓图，步长小于 10 纳米。作为我们的“标尺”，我们使用红色激光；其刻度是光的波长（约 630 纳米），并且可以读取到约百分之一的刻度。
测量仪器照射镜面，收集反射的光线，并比较从镜面上不同位置反射的光线的路径长度。从高点反射的光线的路径将比击中低点的光线的路径短。该仪器使用此信息来构建镜面表面的轮廓图。
抛光的基本原理是用盘状工具摩擦表面，从过高的点选择性地去除玻璃。诸如胭脂红（氧化铁）之类的细磨料会通过机械和化学过程缓慢地逐个原子地去除玻璃。
整形是通过从轮廓图中识别出的高点明确去除玻璃，例如通过使工具在那里摩擦更长时间。这在大于约 10 厘米的尺度上是有效的。平滑是指当您在粗糙表面上摩擦坚硬的工具时发生的情况：工具自然会停留在高点上，并在那里去除更多材料，即使没有任何轮廓图的指导。这在小于 10 厘米的尺度上是有效的。当镜面表面是非球面时，这两种方法都更加困难，这意味着其曲率会逐点变化，这对于 GMT 分段而言非常重要。
我们开发了几种新的抛光工具来解决为望远镜抛光大型镜面所面临的挑战。任何抛光工具的一个基本特征是，它与镜面表面的形状匹配，精度约为 1 微米。背景中较大的工具是一个复杂的机电系统，当它在表面上移动时会改变刚性铝盘的形状，因此它始终与镜面的局部曲率匹配。
前景中较小的工具要简单得多。类似于伽利略将狂欢节玩具改造为天文望远镜，我们的新想法来自橡皮泥——一种非牛顿流体，在很长一段时间内像液体一样流动，但在短时间尺度上表现得像固体。我们利用这些内在特性来实现整形和平滑。
我们的工具包含由薄橡胶膜封闭的橡皮泥，它在镜面上缓慢移动，同时围绕自身快速旋转。橡皮泥在快速旋转期间是刚性的，这可以平滑镜面表面上的小规模不规则性。在穿过镜面所需的较长时间内，橡皮泥很容易流动，因此该工具始终与表面的形状匹配。结果，它以可预测的速率和可预测的模式去除玻璃，而不会随着它在镜面上移动而变化。
安装倒计时
在镜像实验室，我们于 2012 年完成了第一块巨型麦哲伦望远镜镜片的制作。在暂停工作制作另外两块镜片之后，实验室目前正在研磨第二和第三块镜片。第四块镜片于 2015 年 9 月旋铸后，刚刚冷却至室温。我们正在稳步推进制造完整的 25 米主镜。
如何将这些近乎完美的镜片从我们在亚利桑那州的实验室运送到智利的山顶，是另一项挑战。它们通过拖车在陆地上运输，并通过货船从加利福尼亚州运往智利。安全运输的关键是将镜片的重量分散到数百个支撑点上，并在镜片与道路或船甲板之间设置多层悬架。
巨型麦哲伦望远镜（GMT）项目计划在 2022 年安装四块镜片进行初步首次观测。我们预计所有七块镜片将在 2024 年开始扫描宇宙。
我们许多参与 GMT 项目的人都将其视为打开通往宇宙新窗口的方式，就像哈勃太空望远镜（HST）在过去 25 年所做的那样。这架轨道望远镜是为下一代人精心准备的礼物，它来自在发射前几十年参与该项目的人们。哈勃的深空图像令地球上的许多人感到惊叹、激励和鼓舞。GMT 项目团队梦想着为后代传递类似的礼物。
巴迪·马丁（Buddy Martin）在亚利桑那大学斯图尔特天文台工作。他接受巨型麦哲伦望远镜组织的资助。亚利桑那大学是巨型麦哲伦望远镜的合作伙伴。
金大旭（Dae Wook Kim）在亚利桑那大学光学科学学院和理查德·F·卡里斯镜像实验室工作。他接受巨型麦哲伦望远镜组织的资助。
本文最初发表于The Conversation。阅读原文。