太空望遠鏡用特殊金屬片聚光無需透鏡

8厘米寬的不銹鋼雕刻樣板證實菲涅爾成像儀可行

菲涅爾成像儀由2艘太空船組成

光線通過金屬片的孔洞聚集成一個圖像

據英國《新科學家》雜志報道，科學家提議建造的一架太空望遠鏡將利用帶圖案的金屬片來聚光，而不需鏡子或透鏡。而且，此望遠鏡將具有令人驚訝的犀利視力，能發現其它恒星周圍的地球大的行星。
 
天文望遠鏡通常是用彎曲的鏡子來聚光，但向太空發射時對鏡子的大小就有限制，因為發射大型的物體到太空會增加成本，況且發射火箭的威力也是有限的。而這種新型望遠鏡采用了完全不同的方式來聚光，不需較大的主鏡或透鏡，而只需采用一面較小的次要鏡子或透鏡。
 
此技術訣竅是充分利用了自然光波，能導致光線圍繞著物體的邊緣發生彎曲。這種現象就叫“衍射”，這就是為何你能聽到來自大樓角落的聲音的原因。這意味著只需讓光線通過不透明金屬片上雕刻的某種樣式的孔洞，就能讓光線聚集成一個圖像。其實，這類圖案的金屬片早就用來聚集激光束，但一直沒有應用到天文學領域。
 
科學家稱此金屬片為菲涅爾區金屬板，這一命名是源于法國物理學家菲涅爾于19世紀研究了衍射現象。
 
由法國圖盧茲市一家天文臺的天文學家勞倫柯其林領導的科研小組表示，強大的“菲涅爾成像儀”只需預先將一片金屬板加工成菲涅爾模式，固定在牢固的框架上，再發射到太空就大功告成。配備有攝像機和其它科學儀器的太空船將坐定在其聚集點上，和“菲涅爾成像儀”保持一定距離，并記錄其觀察結果。
 
具備犀利視力
 
由于新型望遠鏡依托金屬片而不是重大鏡子，因此相對傳統的望遠鏡，它的重量更輕，發射成本更少。而且，菲涅爾成像儀雖然只聚集了10%左右的光線，但其視力相當于同等大小的傳統望遠鏡。此外，它也能在紫外線和紅外線以及可見光下進行觀察。
 
柯其林表示，再者，此成像儀能拍攝對比度更高的清晰圖像，能觀察到明亮星體附近非常暗淡的天體。“我們能獲得太陽系外行星系統的圖像。”至今為止這種圖像很難獲得，這是因為行星如此暗淡，以至于往往淹沒在它們的母恒星的光輝之下。
 
尋找生命跡象
 
一架寬30米的菲涅爾成像儀將具有足夠大的威力，能看到距離地球30光年范圍內的地球大的行星，并能測量此行星的光譜，以尋找生命跡象，如大氣中的氧氣。菲涅爾成像儀還能測量遙遠宇宙中非常年輕的星系的特性，拍攝我們太陽系中任何天體的詳細圖像。
 
不過，雖然菲涅爾成像儀比傳統望遠鏡輕上許多，但發射和展開一架寬30米的菲涅爾成像儀也不大容易。我們知道，如此巨大的金屬片得折疊起來進行發射，之后要在太空中展開。為此，柯其林小組向歐洲宇航局提議先嘗試發射寬3.6米的菲涅爾成像儀。盡管如此，這種小型的發射任務也將面臨一些嚴重挑戰。
 
太空船和成像儀得精確排列
 
挑戰之一是光線的聚集點距離金屬片數千米，這意味著攝像機和其它儀器得安裝在分離的太空船上，而且太空船和成像儀得精確排列才行。特別微妙的是如何讓這二艘太空船來回移動而能精確排列成一線。因為每鎖定一個新目標，菲涅爾成像儀就得旋轉角度，從而裝備儀器的太空船也得跟著移動到新的聚集點上。但柯其林表示此任務有足夠的燃料就能觀察上萬個不同的天體。
 
另一個問題是菲涅爾區金屬片因波長不同而聚光功能也不同，如果不進行適當調整就會出現失真的圖像。但柯其林表示將特定形狀的透鏡——菲涅爾透鏡放在第二艘太空船上，就能在儀器進行校正之前攔截這些光線。
 
柯其林小組設想將2艘太空船放在一個地日拉格朗日點上，這是因為在地日拉格朗日點上，來自2個天體的引力可以相互抵消。因此，這就相對容易將2艘太空船精確排列起來，但此縱隊的飛行還是一大挑戰。美國宇航局戈達德太空飛行中心的馬克古其勒表示菲涅爾成像儀具有犀利視力的優勢，但現在還不清楚它和其它設想相比有何優劣，得實際嘗試一下才知道。
 
古其勒表示，菲涅爾成像儀的一個潛在困難是金屬片反射的少量太陽光會進入攝像機和其它儀器，影響觀察。柯其林小組承認有這種潛在的問題，表示得需要遮簾來避免金屬片反射出這類光線。
 
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