用液体制造超大太空望远镜，比詹姆斯・韦布望远镜大了近 10 倍

本文来自微信公众号：SF 中文 （ID：kexuejiaodian），作者：SF

文 | 梅林

相对于固体材料，流体具有更好的可塑性、延展性。同样体积的流体材料可能形成更大的结构。或许，液体材料可以作为构建太空望远镜的材料。

用液体制造太空望远镜？

在中学物理课中，我们已经学过，液体具有表面张力的特性。也就是说，液体有向内部集中、聚拢的趋势。不过，在地球上，由于自身重力的作用，液体不会在表面张力的作用下形成完美的球体，而是形成偏扁形的形状，就像我们在树叶上看到的露珠。但是，在太空中，事情就不一样了。在太空的微重力环境下，液体会形成完美的球体。

如果有足够多的液体粘附在一个圆环状框架的内表面。在微重力的环境中，在表面张力的作用下，这些液体将延伸到框架内部，同时形成一个弯曲的表面 —— 球形截面。这是因为表面张力会使液体表面的能量最小化，而球形截面是最符合这种能量最小化要求的形状。

根据这个原理，NASA 和以色列理工学院的联合研究团队计划，要以液体为材料，在太空中建造更大的望远镜。研究团队设想，用储罐将高反射化合物液体发射到太空，再将液体材料粘附在圆环状框架上，就能通过前面提到的过程，制造出一部液体太空望远镜。

此前，研究团队先后在“零重力”公司（Zero Gravity Corporation）的 G-FORCE ONE 零重力飞机和国际空间站中，进行了抛物线飞行测试和微重力测试，都成功制作出了球形截面的液态镜片。

2023 年 1 月，这个项目获得了 NASA 的“创新先进概念”项目的支持。目前，研究团队正在分析液体太空望远镜关键部件的选择，并进一步完善研发概念，为在低地轨道上进行演示实验制订初步的计划。

为什么要用液体制造太空望远镜？

正如前面所说，目前最大的太空望远镜詹姆斯・韦布望远镜的镜面直径仅有 6.5 米。如果科学家想要通过太空望远镜收集更多的光线，探测更宽广、更深邃的宇宙空间，更清晰地观察宇宙深处的天体，就需要更大的太空望远镜。

然而，受限于现有航天器的运载能力和大小，即使是把镜面直径只有 6.5 米的詹姆斯・韦布望远镜送上太空，也要把望远镜的各个部分折叠起来，那么要想将更大的太空望远镜发射升空，只能通过多次发射，这将投入更多成本。因此，研究人员把目光投向了液体材料。利用液体材料建造太空望远镜，在运输上，还是材料用量上，相比于固体材料，建造更大的望远镜都更为可行。

另外，用液体为材料还有一个固体材料所不具有的特点 —— 液体望远镜可以完成自我修复，这节约了维修、养护成本，能延长望远镜的使用寿命。

地球上的液体望远镜

这并不是科学家首次尝试用液体制造望远镜。2022 年 12 月，“国际液体镜面望远镜”（ILMT）在印度的喜马拉雅山区投入运行。这部液体望远镜是由比利时、加拿大和印度联合建造的，镜面直径为 4 米，是世界最大的天文望远镜。

我们可能都有过这样的经历，当我们用勺子搅拌杯中的咖啡的时候，咖啡的表面会形成一个类似球面的形状。ILMT 就是利用这样的原理建成的。与 NASA 设想的液体太空望远镜不同，ILMT 是一个缓慢旋转的水银圆盘，就像被搅拌的咖啡，水银圆盘形成了一个球面形状，特别适合聚焦光线。

美国得克萨斯大学奥斯汀分校的天体物理学家安娜・绍尔甚至设想，在月球表面建造一个巨大的液体望远镜。她和团队成员的计划是这台月球液体望远镜的镜面直径可达 100 米，他们正在探究这一计划的可行性。

在月球建造液体望远镜还有一个限制条件就是，水银密度太大，不能在月球表面正常工作。绍尔等人的替代方案是离子液体。

参考文献：

• https://www.nasa.gov/science-research/astrophysics/what-is-the-fluidic-telescope/

• https://arxiv.org/abs/2212.08139

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