【博科园-科学科普】数百年来望远镜的原理是一个简单的事情：造一个透镜或镜子收集大量的光到探测器上(像眼睛、照相底片或电子设备)并远远超出人眼视力的功能。随着时间推移科技的进步，透镜和镜子的直径变得越来越大，并被精心设计成更高的精度，而探测器已经达到了可以收集和充分利用每一个入射光子的程度。探测器的质量可能会让你纳闷，为什么我们要用镜子？
将CCD阵列放在望远镜或天文台的主焦点上是获得突出图像的一种肯定方法，一种已经使用了100多年的技术。但有可能完全使用ccd来代替镜子或透镜吗？图片版权：Large Area Imager for Calar Alto (LAICA) / J.W. Fried
既然有CCD传感器，为什么我们需要透镜和镜子来制造望远镜呢？与其拥有10米镜和透镜把光聚焦在一个小传感器上，为什么没有10米的传感器呢？这是一个非常聪明的问题，因为如果我们能做到这一点，那将是革命性的。
对现有和拟议的望远镜的镜像尺寸的比较。当GMT在网上发布的时它是世界上最大的并且将成为历史上第一个25米+级的光学望远镜，后来被超越。但是所有的望远镜都有镜子。图片版权：Wikimedia Commons user Cmglee
不论表面如何反射，不论我们多么精细地打磨镜头，也不论多么均匀地、仔细地涂上最上面的层，更不论我们多么排斥和消除灰尘也没有任何镜子或透镜能100%完美地反射或透光。每一步和每一次反射都会失去一些光。现代设计需要镜子的多个阶段，包括主镜的一个大洞，有一个很好的位置来反射光线，所以使用镜子和透镜来收集关于宇宙的信息的设计有一个固有的局限。
目标是明确的，令人钦佩的：去掉任何不必要的步骤，在光芒下消除任何损失，这似乎是一个简单的想法，随着CCD传感器的普及和成本下降，也许将来有一天会涉及到天文学的未来。但是实现这样的梦想并不是很简单，因为有一些非常重要的障碍需要克服，才能有一个没有镜子或透镜的望远镜。让我们来看看他们到底是什么？
1887年仙女座星云的照片首次展示了银河系中最近的大星系的螺旋状结构。它看起来是如此彻底的白色，是因为这仅仅是在未经过滤的光线下进行的，而不是用红色、绿色和蓝色，然后把这些颜色加在一起。图片：Isaac Roberts
TOP1、CCDs在测量光时很出色，但不按波长排序或过滤
有没有想过为什么你看到的星星和星系的老照片都是单色的？即使星星和星系本身都有明确的颜色？这是因为他们没有在多个单独的波长滤波器中收集光。甚至现代的望远镜也会在进来的光和CCDs /相机之间放置一个过滤器，以便在特定波长或波长的范围内进行磨砺，这样就可以使用多个滤光片，在最后重建一个真彩色或伪彩色图像。
仙女座星系(M31)从地面望远镜上成像，有多个过滤器并重建以显示彩色图像。图片：Adam Evans / cc-by-2.0
这可能是克服通过创建一套完整的过滤器CCD为每个单独的元素，但这将会很麻烦、昂贵、而且需要这些过滤器放置后方CCD元素本身。
大面积的ccd对于收集和探测光线非常有用，并且最大限度地利用每一个光子。但如果没有镜子或透镜来聚焦光线，CCDs的全向性质将无法产生一个有意义的物体图像。图片版权：Large Area Imager for Calar Alto (LAICA) / J.W. Fried
TOP2、CCDs不测量入射光的方向
为了产生这些有意义的图像，望远镜不仅需要测量入射光的强度和波长，而且还需要测量它的方向。透镜和镜子有一种奇妙的特性，从垂直于镜面的超远源发出的光聚焦在你的相机/感光板/眼睛/ CCD上，而来自其他方向的光则被反射出去。如果光从任何方向照射进来它就会被记录。除非能提前把光校准或聚焦，否则就会看到到处都是明亮的白色天空，因为不会有基于方向的信息。
mcmath - pierce太阳望远镜设施的示意图，世界上最长的望远镜轴/光学隧道。即使这需要一面镜子，以做高质量的成像。图片版权：NOAO / AURA / NSF
你可能认为一个可能的解决方案是建立一个非常长而不透明管的CCD阵列垂直于这个平面，但即使是这一个问题：如果没有透镜或镜子，光从任何你的视场仍然可以不对每个像素数组有效。即使是为了这些目的而建造的最长的隧道井，麦克马斯-皮尔斯太阳望远镜，仍然需要一个真实的镜子或透镜来聚焦光线。这是使用CCD测量光的最大的断路器，也是你需要镜子或镜头的最大原因。
这张照片拍摄于法国图卢兹的Astrium法国工厂，展示了构成盖亚焦平面的106个CCDs的完整集。CCDs被连接到CCD支持结构(CSS)。CSS(照片中CCDs下的灰色板)重约20公斤，由碳化硅(SiC)制成，这种材料提供了非凡的热和机械稳定性。焦平面措施1×0.5米。图片版权：ESA's Gaia / Astrium
TOP3、CCDs的造价太高，无法覆盖直径10米的阵列
CCDs本身是一个非常昂贵的设备，一个最先进的1200万像素的CCD，每个像素(以及一个覆盖它的微透镜)只有3.1微米，今天的零售价约为3700美元。要覆盖相当于10米口径的镜子，需要大约70万个这样的镜子，成本接近30亿美元。相比之下欧洲巨型望远镜(ELT)，其主镜直径为39米，对整个设施和设备的估计成本仅为1.083亿欧元。
这张图展示了ESO超大望远镜(ELT)的新型5 -镜像光学系统。在到达科学仪器之前，光首先从望远镜的巨大的凹凸的39米分割的主镜反射(M1)，然后又反射出两个4 - metrea级的镜子，一个凸(M2)和一个凹面(M3)。最后的两个镜子(M4和M5)形成一个内置自适应光学系统，允许在最终的焦平面上形成非常清晰的图像。图片版权：ESO
使用没有镜子的CCDs，能获得的额外的光量很小，因为只会损失约5 - 10%的光，但却能额外增加1500%(这并不是一个打字错误!)从10米直径到直径39米的望远镜。简单地说如果目标是收集更多的光并获得更高的分辨率，那么就有更好的方法来花钱。
在地面上巨大的大型望远镜并没有特别的问题，只要镜子的形状仍然是反射光线的理想形状。但在太空中发射成本是由大小和重量决定的，所以可以节省的每一点都能带来改变。图片版权：The Observatories of the Carnegie Institution for Science Collection at the Huntington Library, San Marino, Calif
TOP4、如果目标是节省重量，那么有一个更好的解决方案
哈勃太空望远镜的发射和部署是一个难以置信的挑战，不仅因为它的大小，还因为它的重量。主镜的沉重是任务面临的最大障碍之一。相比之下詹姆斯·韦伯(James Webb)的光收集面积将超过哈勃望远镜的7倍，但其重量仅为其前辈的一半。
JWST主镜的第18段和最后部分的安装。黑色覆盖层保护了镀金的镜面部分，而镜子背面已经去掉了92%的原始材料。图片版权：NASA / Chris Gunn
当在太空中不需要与重力对抗，也不需要几乎同样多的结构来支撑望远镜。在为詹姆斯·韦伯(James Webb)制造了18个片段后，后侧有92%的原始质量被钻出，保持了前镜的形状，同时节省了巨大的重量。
GTC的内部和主镜是当今世界上最大的单光学望远镜。图片版权：Miguel Briganti (SMM/IAC)
你可能想要在没有镜片或镜子的情况下建造一个望远镜，这是有很多原因的：因为对重量、成本、材料、光采集能力、图像质量和分辨率的优化总是需要权衡的。但事实上CCDs无法测量入射光的方向，这对无镜望远镜来说是一个难题。虽然所反射的每一个镜像表面都需要信号的丢失，但镜像仍然是获得高分辨率、原始质量、大范围、(相对)低成本的宇宙的最佳方式。如果CCDs的成本下降，如果一个像望远镜反射镜一样大的阵列可以被建立起来，如果接收到的光子的方向可以实时测量，我们可能就会有一些东西可以讨论。但就目前而言光学的科学是无可替代的。在他第一次发表关于光科学的开创性论文300多年后，牛顿的规则在单望远镜上仍然没有被击败！
作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
来自：Forbes science
编译：中子星
审校：博科园
