拿水银造液体望远镜，有什么好处？

拿水银造液体望远镜，有什么好处？

天文望远镜是人类观察宇宙的眼睛，我们今天所了解的宇宙信息，大多数都来源于天文望远镜。可以说，如果没有天文望远镜，就没有现代天文学。我们熟知的中国天眼fast、哈勃空间望远镜、詹姆斯·韦布空间望远镜，就是其中的代表。它们有个共同的特征，就是看起来像一口大锅。

大锅，其实就是为了尽可能多地收集遥远宇宙的暗弱信号，锅的直径被称为望远镜的口径，口径越大，望远镜收集信号的能力就越强，探测距离也就越远，成像也会更加清晰明亮，因此剖面的大锅可谓是望远镜最核心的部件之一。

传统望远镜的镜面都是用固体材料做成的，2025年底有个新闻说，在喜马拉雅山脉南侧，全球最早的液体镜面望远镜已经睁开了眼睛，开始观测宇宙。这个望远镜为什么用液体做镜面？液体镜面望远镜有哪些好处和弊端呢？未来液体镜面望远镜还能在探索宇宙的路上发挥哪些重要作用？

这个望远镜的名字叫国际液体镜面望远镜，简称ILMT，是由比利时、加拿大、印度等国家联合建造，位于喜马拉雅山脉南麓海拔2450米处。这是一台口径4米的光学望远镜，它的口径超过了哈勃空镜望远镜，也超过了我国未来要发射的空间站巡天望远镜，这两个望远镜的口径都是2.4米。它的口径也超过了我国现有最大口径的民用光学望远镜——云南天文台丽江基地的2.4米望远镜，以及国家天文台兴隆基地的2.16米的望远镜。

北京天文台射电天文望远镜（配图来自图虫网）

对于望远镜来说，口径越大，它的加工和制造工艺就越复杂，成本也就越高。一般来说，望远镜的口径增加一倍，研制难度和成本可能增加好几倍，甚至十几倍。那么这也是为什么我们国家有几十台1米口径的光学望远镜，但是2米口径以上的民用光学望远镜屈指可数的原因。

望远镜研制的一个关键难点，怎么把大锅给加工出来？负责收集光线的大锅，加工要求极高，要求镜面尽可能接近理想的抛物面构型。光学望远镜镜面面形精度要求至少在1/30波长，大约是20个纳米。这是什么概念？举个例子，如果要将1块4米口径的镜面放大到我们北京市这么大小，它的地面平整度需要小于1毫米才能满足要求。热胀冷缩、重力这些因素都会导致镜面的变形，望远镜的口径越大，镜面保持精度就越困难，所以望远镜镜面加工工艺的要求是非常高的，要经过熔炼、锻造、打磨、抛光、镀膜等一系列非常复杂的工艺过程，才能打造出一个理想的剖面的光学镜面。

液体镜面就容易多了，想象一下，如果你用一根筷子搅动一个水杯里的水，那么杯子中间的水就会涌向四周，从而形成一个转动的画面。跟望远镜大锅的剖面非常接近，这个基本原理就是在重力和离心力的作用下转动的液体，会自动形成一个理想的抛物面，这也是液体镜面望远镜的基本原理。通过转动一个圆盘里的水银，就可以形成理想的剖面，用来聚集光线旋转液体的镜面。尽量使用接近剖面形状的容器，这时候液体的使用量非常小，它的厚度还不到1毫米。

液体镜面最大的好处，就是它的成本非常低，因为它不需要像固体镜面那样经过高难度的加工过程，只需要按照一定的转速，转动一个圆盘里的水银，就可以形成非常理想的抛物面。4米口径的国际液体镜面望远镜，它的成本只有200万美元，而距离它不远处的一个口径3.6米的光学半径，由同一家比利时公司在同一时间建造，它的价格大概是1800万美元，成本几乎相差了10倍。

但是液体镜面望远镜也并非是万能的，理想的抛物面的形成，是重力和离心力平衡的结果，因此液体镜面望远镜并不能随心所欲的指向任何方向，它只能观测天顶的天空。如果你想操纵望远镜到处看，那液体镜面望远镜可能并不适合你。

未来人类还计划在南美建设8米口径等更大口径的液体光学镜面望远镜，科学家甚至还考虑在月球上建设口径100米的液体镜面光学望远镜，届时将可以看到宇宙大爆炸以来形成的最早的恒星，为人类探索宇宙提供更亮的眼睛。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：李明涛

审核：周炳红

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司