為什麼不造一個沒有鏡片的望遠鏡？這樣觀測宇宙該多好啊

【博科園-科學科普】數百年來望遠鏡的原理是一個簡單的事情：造一個透鏡或鏡子收集大量的光到探測器上(像眼睛、照相底片或電子設備)並遠遠超出人眼視力的功能。隨著時間推移科技的進步，透鏡和鏡子的直徑變得越來越大，並被精心設計成更高的精度，而探測器已經達到了可以收集和充分利用每一個入射光子的程度。探測器的質量可能會讓你納悶，為什麼我們要用鏡子？

將CCD陣列放在望遠鏡或天文台的主焦點上是獲得突出圖像的一種肯定方法，一種已經使用了100多年的技術。但有可能完全使用ccd來代替鏡子或透鏡嗎？圖片版權：Large Area Imager for Calar Alto (LAICA) / J.W. Fried

既然有CCD感測器，為什麼我們需要透鏡和鏡子來製造望遠鏡呢？與其擁有10米鏡和透鏡把光聚焦在一個小感測器上，為什麼沒有10米的感測器呢？這是一個非常聰明的問題，因為如果我們能做到這一點，那將是革命性的。

對現有和擬議的望遠鏡的鏡像尺寸的比較。當GMT在網上發布的時它是世界上最大的並且將成為歷史上第一個25米+級的光學望遠鏡，後來被超越。但是所有的望遠鏡都有鏡子。圖片版權：Wikimedia Commons user Cmglee

不論表面如何反射，不論我們多麼精細地打磨鏡頭，也不論多麼均勻地、仔細地塗上最上面的層，更不論我們多麼排斥和消除灰塵也沒有任何鏡子或透鏡能100%完美地反射或透光。每一步和每一次反射都會失去一些光。現代設計需要鏡子的多個階段，包括主鏡的一個大洞，有一個很好的位置來反射光線，所以使用鏡子和透鏡來收集關於宇宙的信息的設計有一個固有的局限。

目標是明確的，令人欽佩的：去掉任何不必要的步驟，在光芒下消除任何損失，這似乎是一個簡單的想法，隨著CCD感測器的普及和成本下降，也許將來有一天會涉及到天文學的未來。但是實現這樣的夢想並不是很簡單，因為有一些非常重要的障礙需要克服，才能有一個沒有鏡子或透鏡的望遠鏡。讓我們來看看他們到底是什麼？

1887年仙女座星雲的照片首次展示了銀河系中最近的大星系的螺旋狀結構。它看起來是如此徹底的白色，是因為這僅僅是在未經過濾的光線下進行的，而不是用紅色、綠色和藍色，然後把這些顏色加在一起。圖片：Isaac Roberts

TOP1、CCDs在測量光時很出色，但不按波長排序或過濾

有沒有想過為什麼你看到的星星和星系的老照片都是單色的？即使星星和星系本身都有明確的顏色？這是因為他們沒有在多個單獨的波長濾波器中收集光。甚至現代的望遠鏡也會在進來的光和CCDs /相機之間放置一個過濾器，以便在特定波長或波長的範圍內進行磨礪，這樣就可以使用多個濾光片，在最後重建一個真彩色或偽彩色圖像。

仙女座星系(M31)從地面望遠鏡上成像，有多個過濾器並重建以顯示彩色圖像。圖片：Adam Evans / cc-by-2.0

這可能是克服通過創建一套完整的過濾器CCD為每個單獨的元素，但這將會很麻煩、昂貴、而且需要這些過濾器放置後方CCD元素本身。

大面積的ccd對於收集和探測光線非常有用，並且最大限度地利用每一個光子。但如果沒有鏡子或透鏡來聚焦光線，CCDs的全向性質將無法產生一個有意義的物體圖像。圖片版權：Large Area Imager for Calar Alto (LAICA) / J.W. Fried

TOP2、CCDs不測量入射光的方向

為了產生這些有意義的圖像，望遠鏡不僅需要測量入射光的強度和波長，而且還需要測量它的方向。透鏡和鏡子有一種奇妙的特性，從垂直於鏡面的超遠源發出的光聚焦在你的相機/感光板/眼睛/ CCD上，而來自其他方向的光則被反射出去。如果光從任何方向照射進來它就會被記錄。除非能提前把光校準或聚焦，否則就會看到到處都是明亮的白色天空，因為不會有基於方向的信息。

mcmath - pierce太陽望遠鏡設施的示意圖，世界上最長的望遠鏡軸/光學隧道。即使這需要一面鏡子，以做高質量的成像。圖片版權：NOAO / AURA / NSF

你可能認為一個可能的解決方案是建立一個非常長而不透明管的CCD陣列垂直於這個平面，但即使是這一個問題：如果沒有透鏡或鏡子，光從任何你的視場仍然可以不對每個像素數組有效。即使是為了這些目的而建造的最長的隧道井，麥克馬斯-皮爾斯太陽望遠鏡，仍然需要一個真實的鏡子或透鏡來聚焦光線。這是使用CCD測量光的最大的斷路器，也是你需要鏡子或鏡頭的最大原因。

這張照片拍攝於法國圖盧茲的Astrium法國工廠，展示了構成蓋亞焦平面的106個CCDs的完整集。CCDs被連接到CCD支持結構(CSS)。CSS(照片中CCDs下的灰色板)重約20公斤，由碳化硅(SiC)製成，這種材料提供了非凡的熱和機械穩定性。焦平面措施1×0.5米。圖片版權：ESA's Gaia / Astrium

TOP3、CCDs的造價太高，無法覆蓋直徑10米的陣列

CCDs本身是一個非常昂貴的設備，一個最先進的1200萬像素的CCD，每個像素(以及一個覆蓋它的微透鏡)只有3.1微米，今天的零售價約為3700美元。要覆蓋相當於10米口徑的鏡子，需要大約70萬個這樣的鏡子，成本接近30億美元。相比之下歐洲巨型望遠鏡(ELT)，其主鏡直徑為39米，對整個設施和設備的估計成本僅為1.083億歐元。

這張圖展示了ESO超大望遠鏡(ELT)的新型5 -鏡像光學系統。在到達科學儀器之前，光首先從望遠鏡的巨大的凹凸的39米分割的主鏡反射(M1)，然後又反射出兩個4 - metrea級的鏡子，一個凸(M2)和一個凹面(M3)。最後的兩個鏡子(M4和M5)形成一個內置自適應光學系統，允許在最終的焦平面上形成非常清晰的圖像。圖片版權：ESO

使用沒有鏡子的CCDs，能獲得的額外的光量很小，因為只會損失約5 - 10%的光，但卻能額外增加1500%(這並不是一個打字錯誤!)從10米直徑到直徑39米的望遠鏡。簡單地說如果目標是收集更多的光並獲得更高的解析度，那麼就有更好的方法來花錢。

在地面上巨大的大型望遠鏡並沒有特別的問題，只要鏡子的形狀仍然是反射光線的理想形狀。但在太空中發射成本是由大小和重量決定的，所以可以節省的每一點都能帶來改變。圖片版權：The Observatories of the Carnegie Institution for Science Collection at the Huntington Library, San Marino, Calif

TOP4、如果目標是節省重量，那麼有一個更好的解決方案

哈勃太空望遠鏡的發射和部署是一個難以置信的挑戰，不僅因為它的大小，還因為它的重量。主鏡的沉重是任務面臨的最大障礙之一。相比之下詹姆斯·韋伯(James Webb)的光收集面積將超過哈勃望遠鏡的7倍，但其重量僅為其前輩的一半。

JWST主鏡的第18段和最後部分的安裝。黑色覆蓋層保護了鍍金的鏡面部分，而鏡子背面已經去掉了92%的原始材料。圖片版權：NASA / Chris Gunn

當在太空中不需要與重力對抗，也不需要幾乎同樣多的結構來支撐望遠鏡。在為詹姆斯·韋伯(James Webb)製造了18個片段後，後側有92%的原始質量被鑽出，保持了前鏡的形狀，同時節省了巨大的重量。

GTC的內部和主鏡是當今世界上最大的單光學望遠鏡。圖片版權：Miguel Briganti (SMM/IAC)

你可能想要在沒有鏡片或鏡子的情況下建造一個望遠鏡，這是有很多原因的：因為對重量、成本、材料、光採集能力、圖像質量和解析度的優化總是需要權衡的。但事實上CCDs無法測量入射光的方向，這對無鏡望遠鏡來說是一個難題。雖然所反射的每一個鏡像表面都需要信號的丟失，但鏡像仍然是獲得高解析度、原始質量、大範圍、(相對)低成本的宇宙的最佳方式。如果CCDs的成本下降，如果一個像望遠鏡反射鏡一樣大的陣列可以被建立起來，如果接收到的光子的方向可以實時測量，我們可能就會有一些東西可以討論。但就目前而言光學的科學是無可替代的。在他第一次發表關於光科學的開創性論文300多年後，牛頓的規則在單望遠鏡上仍然沒有被擊敗！

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

來自：Forbes science

編譯：中子星

審校：博科園

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