光學干涉望遠鏡陣列或迎來發展新機遇

7月，一個光學干涉儀的10個直徑1.4米望遠鏡之一將觀測天穹。

圖片來源：M. COLLEEN GINO/《科學》

與當天文學家用直徑達30米的鏡面建造的價值數十億美元的望遠鏡相比，今年7月在美國新墨西哥州南巴爾迪山頂安裝的直徑1.4米的天文儀器似乎有點像是“兒戲”。但在接下來幾年，另外9架相同的望遠鏡將會與它在這個海拔3200米的覆蓋著綠色植被的山頂會合，形成一個“Y”字形的陣列，從而在細節觀察上超過任何其他光學望遠鏡。當其在2025年前后竣工時，這個耗資兩億美元的馬格達萊納山脊天文臺干涉儀（MROI）的分辨率將可以與直徑為347米的巨型望遠鏡相媲美。

MROI的小型望遠鏡陣列不能與其大規模“表親”的聚光能力相匹敵，因此它將局限于明亮的目標。但通過結合分散的望遠鏡發出的光，它有望辨認出恒星表面的小型結構，對新生恒星周圍的塵埃成像，并觀測到一些星系中心的超大質量黑洞。它甚至可以辨認出地球同步軌道（距離地球36000公里的高空）上厘米級的細節，從而偵察間諜衛星。

美國空軍希望能夠監控本國和其他國家的軌道資產，這正是其資助MROI的一個原因。MROI項目科學家、新墨西哥礦業與技術研究所天文學家Michelle Creech-Eakman說：“他們想知道軌道探測器是吊桿斷裂了，還是部分光伏板崩潰了？”如果該設備成功，其最大的影響可能是在天文學領域，它將引起人們對光學干涉量度法前景的新關注，這是通過相對較小的、廉價的望遠鏡提取精細清晰圖像的強大但富有挑戰性的策略。

但MROI卻像光學干涉測量技術自身一樣進展緩慢。美國海軍從2000年開始為該設施提供資金，但隨后對它失去了興趣，并于2011年撤出。該陣列除了前三架望遠鏡之外，空軍的支持尚不確定。“如果它們出于某種可怕的原因失敗了，那將是我們所有人的災難。”高角分辨率天文中心（CHARA，由6架直徑1米的光學望遠鏡組成的位于加州洛杉磯威爾遜山頂的陣列）副主任Theo ten Brummelaar說。

射電天文學相對比較容易。其較長的無線電波意味著來自不同蝶形天線的數據可以被記錄下來、進行數字化并用原子鐘計時，然后再綜合起來進行分析。但光學干涉技術要復雜得多：可見光波長較短，并以太赫茲頻率運行，尚不能被任何電子系統數字化。因此，其光線必須以納米精度實時融合。

20世紀90年代，光纖、激光和計算機的發展讓凱克天文臺的兩架直徑10米望遠鏡（相距85米位于夏威夷莫納基亞山頂）可作為光學干涉儀被使用。但該系統至少需要美國宇航局（NASA）資助的另外4臺“懸臂”望遠鏡才能充分發揮作用，而懸臂在2006年已被取消，因為夏威夷土著居民認為莫納亞克山山頂是圣地，因此抗議該設施。亞利桑那州弗拉格斯塔夫附近的海軍精密光學干涉儀（NPOI）首席科學家Gerard van Belle說：“干涉技術在NASA仍然是一個黯淡的詞匯。”

路易斯安那州立大學天文學家Tabetha Boyajian說，許多天文學家忽略了光學干涉技術近來的成就。她曾用CHARA進行過恒星規模調查。她說，天文學家在了解了這項技術的潛力后會感到驚訝。“你會聽到，‘哇，我如何把它用到我的科學研究中？’”她說。

CHARA和其他光學望遠鏡陣列已經對快速旋轉的恒星被擠壓的形狀進行了成像，捕捉到恒星表面移動的太陽黑子，拍攝到雙星伴星交換物質的過程，并實時觀察了圍繞銀河系中心黑洞旋轉的物體。在連接了智利阿塔卡馬沙漠超大望遠鏡（VLT）的4臺直徑8.2米的望遠鏡之后，歐洲南方天文臺的研究人員去年在距離地球530光年之外的恒星表面發現了沸騰的對流單體。一種新紅外儀或能使干涉儀對正在形成行星的其他恒星周圍的溫暖塵埃盤進行成像。

盡管之前遇到過挫折，NASA仍在支持由亞利桑那州格雷厄姆山頂大雙筒望遠鏡的兩個直徑8.4米的鏡面構成的干涉儀。今年，那里的科學家宣布他們用干涉測量技術發現，很多年輕的恒星系包含的塵埃比預期少，這對于想直接給系外行星成像的天文學家來說是個好消息。

一旦完工，MROI的望遠鏡將比任何其他干涉儀的分布都更廣泛，從而使其具有更高的分辨率。它還將測試結合來自多個望遠鏡的星光的新技術，從而簡化這一過程。如果它能達到預期，該天文臺將可以在未來10年的評估中讓光學干涉技術大幅提升。到2030年10年調查時，CHARA成員、安阿伯市密歇根大學物理學家John Monnier希望，行星形成成像儀（一個由12架望遠鏡構成的1公里基線的光學干涉儀）能夠獲得穩定的支持，從而通過它了解年輕恒星的塵埃盤，以及新生行星的塵埃盤。

到那時，NASA也將為發射太空光學干涉儀做好準備。2007年，該機構放棄了“類地行星發現者”計劃，這是由4架望遠鏡構成的一個軌道陣列，旨在對其他恒星周圍的行星進行成像。現在，該機構或許更容易接受空間干涉儀，因為類似6.5米高的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（將于2021年發射）等巨型太空望遠鏡會對運載火箭的載荷造成壓力。