“室女座之眼”位于室女座,離我們約5000萬光年,兩個星系之間距離約10萬光年。它們的昵稱來自這對星系的核心——當我們通過中等望遠鏡看去,它們看上去就像黑暗中的一對眼睛。
雖然這對星系的核心相似,它們的外圍明顯不同。位于右下的NGC 4435,看來比較致密,缺少氣體和塵埃;而位于左上的大星系NGC 4438,在核心前橫著一條塵埃帶,左邊還有年輕恒星群,氣體更是延伸到圖像的左右邊緣。
NGC 4438與另一個星系的強烈相互作用使其外圍剝離:沖突扭曲了星系的外形。當30~40億年后銀河系與仙女座大星系相遇時,會發(fā)生類似的過程。
NGC 4435就是罪魁禍首。有的天文學家相信,這些破壞是大約一億年前,它與NGC 4438以1.6萬光年近距離擦過造成的。但是隨著大星系的外形被破壞,較小的NGC 4435會受到更大的影響。潮汐力既然能把NGC 4438的內容物扯出來,也能剝離NGC 4435的大部分氣體、塵埃,減少星系的總質量。
另一種可能是更遠的巨橢圓星系M 86(未在圖中顯示)的強大引力,造成了NGC 4438的形狀改變。最新的觀測顯示,這兩個大星系之間存在電離氫的纖維橋,意味著它們在過去發(fā)生過沖突。
巨橢圓星系M 86和NGC 4438、4435都屬于室女座星系團,這是一個富含星系的集團。在這種環(huán)境中,星系相撞是非常常見的,因此NGC 4438很可能與這兩者都遭遇過。
本圖是“ESO宇宙珍寶節(jié)目”(ESO Cosmic Gems programme)的首個圖像,這是ESO為公共教育和宣傳而設立的新項目,主要在天空狀況不適合進行科學觀測的時候,就讓儀器拍攝那些有趣的、有魅力的天體。這些數(shù)據同樣可以用于專業(yè)天文學家的科學研究。
歐洲自從第一次世界大戰(zhàn)前,便停止了對新天文儀器的建造。因此歐南臺的這第一具大望遠鏡計畫,對重振歐洲天文學界具有重大的意義。
在五十年代歐南臺籌備期間的原始構想中,原本是希望建造類似美國立克天文臺3米口徑反射望遠鏡──當年世界排名第二的「巨炮」,并以其低廉的造價與簡單的結構聞名于世。然而就在1961年歐南臺臺長??寺∣. Heckmann)與研究員佛倫巴克(Fehrenbach)親自操作后發(fā)現(xiàn)下列缺點:
一、主焦觀測室(Prime focus observers-cage)太小,換裝底片或更換儀器非常不便。
二、保守的光學與機械設計理念,不能適應未來時代的需求。
立克天文臺3米望遠鏡的光學系統(tǒng),均采經典式的設計;如主焦焦比(口徑與焦距的比值)F/5,卡塞格林焦比F/15,庫德焦比F/35。這種保守的光學設計,雖然保證了良好的光學成像,但也使望遠鏡可觀測的星場縮小,而且望遠鏡鏡筒造得很長,相對地影響到望遠鏡的穩(wěn)定性與赤道儀結構強度。這當然是受到當年該望遠鏡建造經費的限制、急迫時程及技術限制,不得不作的妥協(xié)。
所以歐南臺的天文學家決定將望遠鏡口徑加大到3.6米,相對地也代表著負擔更多的建造經費。首先來談它的光學設計,以西德蔡司廠為班底的光學工程師們,設計出主焦F/3,卡焦F/8,庫焦F/30的R. C(Ritchey-Chretien)系統(tǒng),這種新式的R. C光學系統(tǒng),使望遠鏡的視野與光學成像品質兩方面都作了最佳的協(xié)調,讓天文學家可以獲取較明亮清晰的星像,更適合研究遙遠暗淡的星系。并且因焦距縮短,對望遠鏡鏡筒的結構強度(因鏡筒長度也縮短)與赤道儀追蹤星體的精度也有幫助。
其次這架望遠鏡的鏡片材質,是一種稱為「溶解石英」(molten quartz)的低膨脹系數(shù)玻璃,使望遠鏡的焦點不易受到溫度變化而影響。負責研磨鏡片的法國REOSC公司,除了歐南臺3.6米鏡之外,也磨制了夏威夷的CFHT 3.6米鏡。兩鏡號稱七○年代大望遠鏡界的BENZ與BMW,代表著鏡片研磨精度之高。最后這架望遠鏡赤道儀的機械部分由位于瑞士的核物理研究中心(CERN)與歐洲太空研究組織ESRO(歐洲太空總署ESA的前身)負責設計制造。
歐南臺3.6米望遠鏡赤道儀自1969年十月開工建造后,以迄1976年十一月七日望遠鏡正式啟用,歷經了長達七年時間,果然這架望遠鏡的表現(xiàn),使歐南臺成為南半球天文學的重鎮(zhèn),立下天文學新發(fā)現(xiàn)的赫赫戰(zhàn)功。
望遠鏡的發(fā)展和醫(yī)用顯微鏡在某些方面非常類似。 醫(yī)生藉由精密顯微鏡的觀察以研究標本。顯微鏡的放大與解析能力愈大愈強,對醫(yī)生特定的某些研究工作也就愈有利。同樣地,天文學家借著巨型天文望遠鏡觀察研究、取樣(拍攝光譜)恒星的演化與星系(Galaxy)的分布及宇宙的膨脹。然而望遠鏡的集光力(看得更暗)與解像力(看得更清楚),在過去都認為只有建造口徑更大的望遠鏡才能得到改善,直到NTT的出現(xiàn)……。
所謂NTT是New Technology Telescope的縮寫。 這是人類天文望遠鏡發(fā)展史上重要的里程碑,是歐洲人以全新的概念設計制造出的新一代天文儀器。自ESO 3.6米望遠鏡的啟用后,經過數(shù)年的操作經驗,歐南臺天文學家意外地發(fā)現(xiàn)這具3.6米的性能表現(xiàn),竟然不輸給美國帕洛瑪天文臺的5米望遠鏡,這當然牽涉到天文臺臺址地點氣流穩(wěn)定與否、望遠鏡制造的精密度等。原來大氣層擾動(atmosphere turbulence)的作祟,使得美國帕洛瑪天文臺的5米望遠鏡不能發(fā)揮全力。
當然,繼續(xù)建造更大的望遠鏡,挑選空氣穩(wěn)定的天文臺臺址是突破極限的方法,但所費不貲!美國人干脆就想到一步登天到太空中放天文臺,如哈柏太空望遠鏡。留在地球上的歐南臺就想到對付大氣層擾動是不是可有法子呢?就是在這種順應大氣層,「懷柔」大氣層的理念下,NTT的各項設計中,以減少大氣層擾動影響為其優(yōu)先考量。它的特點有:
精密的環(huán)境控制系統(tǒng)?。‥nvironment Control System)
NTT的建筑物使用氣冷與水冷方法,使建筑與望遠鏡的溫度保持在稍低于外界溫度的狀態(tài)下,避免熱對流的情況發(fā)生。 此外,一體成型的建筑與望遠鏡結合連動在一起,不論望遠鏡轉至那個方位,建筑物的窗口也跟著轉動到那個方位,而阻隔氣流的簾幕與引導氣流的柵板也跟著轉動到那個方位,減少了過去氣流在望遠鏡建筑物內自亂陣腳的問題(見圖三)??偠灾琋TT被設計成能融入自然環(huán)境的「隱形望遠鏡」。
特殊的主動光學系統(tǒng)?。ˋctive Optics System)與超高精度的主鏡鏡片
NTT的光學系統(tǒng)里主鏡(Primary mirror)與副鏡(Secondary mirror)都可以在影像分析器(Imageanalyzer)的指揮下,三者形成一封閉性的電腦控制回路(Closed loop computer control),使星像永保清晰銳利。筆者在陪同歐南臺天文學家在NTT觀測時,便親眼目睹這種性能。那是什么樣的原因,使NTT擁有這么強的功能呢? 原來是NTT的主鏡鏡片,不像傳統(tǒng)式鏡片是固定死的。傳統(tǒng)式鏡片為了要維持研磨后的鏡面曲度,便非得要保持相當?shù)暮穸?,以鞏固其鏡面的強度。NTT的鏡片卻是軟的,它的厚度只有24公分,是傳統(tǒng)鏡片的1/3厚﹔它的重量只有6噸,是傳統(tǒng)鏡片的1/2重。在主鏡鏡片下方有3個固定式支撐點與76個活動支撐點,隨時聽令于影像分析器所發(fā)布的指令支撐鏡片,無論望遠鏡指向那個角度,仍能永保鏡片反射面的完美曲線(見圖五)。此外鏡片本身研磨的精密度,也是造就NTT能獲得完美星像的原因之一。它鏡面的平滑度達到相當于1公里長度的表面起伏的誤差不超過2.5公分。這么「漂亮」的平滑曲線,才能將所有進入望遠鏡的星光一網打盡,而不會有因鏡面不平整而產生所謂亂反射的情況發(fā)生。因此NTT鏡片經過測試的結果,有80%的星光能量可以被聚集在0.125秒角范圍之內。
輕巧的經緯儀架臺?。ˋLT/AZIMUTH Mounting)
傳統(tǒng)式望遠鏡都架設在赤道儀上,由于赤道儀與地球自轉軸同軸,因此它可以依照地球自轉的速度與方向輕松地追著星星跑。但是赤道儀的體積很龐大,導致望遠鏡建筑物也要變大,最后就是預算暴增,讓窮天文學家頭大!
如果換用地平方位的觀點看星星在天空的軌跡,它們是在天上以圓周曲線運動,水平與垂直的位置都隨著地球自轉而不斷改變。這時只要有一個機器能同時修正XY軸的角度,同樣也可以達到追蹤星體的性能,它就是電腦控制的經緯儀架臺。經緯儀的優(yōu)點是體積與造價都大幅降低,比較麻煩的是要設計出完美的電腦控制程式,輸入因不同仰角而產生不同的星星移動量資料。自從八○年代以來建造的大望遠鏡,已經都采用既省錢又迷你的經緯儀架臺。
此外NTT的經緯儀架臺,采用摩擦式旋轉機械結構,因此避免了老式望遠鏡使用齒輪所產生的「齒隙差距」的缺點,它的指向精度誤差低于一秒角,天文學家可以很精確直接找到要觀測的星體,而不必「調來調去」。
水平式雙軸光學終端系統(tǒng)?。∟asmyth Focus System)
ESO/NTT可以同時讓兩組天文學家觀測同一天體,或是說一個天體可以得到兩組資料。NTT借望遠鏡中央一面可快速轉動90°的平面鏡,將星光反射到望遠鏡左右兩側的終端設備。 以前的老式望遠鏡一次只能用一套儀器觀測,如果遇到特殊的天體出現(xiàn)(如超新星),一下子要記錄它光度的變化,一下子要拍攝它的光譜,可把天文臺里的技工忙壞了。更糟糕的是有的儀器,還需要花費時間細心調整才能使用呢! 使用NTT的天文學家可就輕松了,A組天文學家使用A組終端,B組天文學家使用B組終端。要換組觀測時,只須按一下鈕,反射鏡一動,電腦與CCD就自動開始觀測記錄。
零膨脹系數(shù)微晶玻璃?。╖erodur Ceramics Glass)
在二十世紀初,當年的天文學家并不太了解,溫度變化對玻璃的熱脹冷縮效應,會影響焦點影像的清晰。等到望遠鏡愈造愈大,他們才發(fā)現(xiàn)選擇主鏡鏡片質材的重要性。 到了1949年帕洛瑪天文臺的5米鏡使用了一種名叫Pyrex的鏡材,它對溫度的膨脹系數(shù)是每變化一度,鏡材便脹或縮3.1×10 -8公分。天文學家對它是不滿意但可接受。等到一九六○~七○年代建造的3~4米望遠鏡,普遍使用溶解石英,它對溫度的膨脹系數(shù)是每變化一度,鏡材脹縮0.5×10 -8公分。到了八○年代ZERODUR零膨脹系數(shù)玻璃問世,它對溫度的膨脹系數(shù)是每變化一度,鏡材只脹或縮0.1×10 -8公分。 可別小看這種玻璃,舉凡軍艦、戰(zhàn)車、攻擊機上的雷射測距儀與光學瞄準器或是建筑工地使用的水準儀,統(tǒng)統(tǒng)都用得上它。 它使武器的第一擊命中率大增(因為減少了溫度變化造成的影像誤差),它使橋梁、建筑的測量與設計更精確,當然太空船及衛(wèi)星上的攝影鏡頭也少不了它。這零膨脹系數(shù)玻璃,就是基礎科學發(fā)展后(天文學及化學、物理學)服務國家社稷的明證。
衛(wèi)星連線與人性化的控制系統(tǒng)?。⊿atellite Link and User Friendly Control System)
NTT最聰明的地方,就是讓天文學家不用千里迢迢從歐洲橫渡大西洋飛到智利觀測,直接在德國慕尼黑總部就可以遙控它。而且它的電腦系統(tǒng)還會主動協(xié)助天文學家進行觀測工作。