04 美国国家光学天文台的建立

1945年，美、苏、英、中所结成的同盟国集团取得了第二次世界大战的伟大胜利。在第二次世界大战中，苏联、英国和中国都不同程度地受到了以德、意、日所组成的轴心国的严重战争摧残，天文学研究几乎全部中断，天文台也受到严重毁坏，原本已经比较落后的光学天文望远镜和其他天文仪器一下子又倒退了许多年。而美国因为远离战火，长时间处于中立地位，向参战国提供武器、推销商品，反而在战争期间保留了它的科研队伍，发展了工业基础，形成了非常强大的军火工业。在战争早期，5米海尔光学望远镜的工程一直在顺利地进行。

1941年底日本偷袭珍珠港使美国真正进入战争状态，1942年不少美国年轻人被征召入伍，海尔光学望远镜的建设不得不中断数年。这时美国真正的重点工程是大型曼哈顿工程，这项特大科学工程总共动员了四万三千多人，其中相当大一部分是顶级科学家，工程总共投入资金22亿美元。短短几年，美国就拥有了两颗原子弹，科学成果转化为比太阳还亮的杀人武器。日本人在中国、东南亚和美国的珍珠港犯下了罄竹难书的滔天罪行，而毫不心慈手软的美国人则使用两个日本城市来试验新研制的原子弹的威力，同盟国因此获得了第二次世界大战的胜利。之后日本人对美国只好俯首帖耳。

战后经过短短几年，花费六百万美元的海尔5米光学天文望远镜顺利完工，成为名副其实的世界上口径最大的光学天文望远镜。相比曼哈顿工程，海尔光学天文望远镜不过是一个小小玩具，但是相对于其他科学工程，仍然可算作大科学工程。

战争结束后，大批美国军人从军队复员，美国政府为这些复员军人提供了免费接受大学教育的机会，参加曼哈顿工程的人员也渐渐回归到原来的象牙塔。到20世纪50年代，一部分原来的二战军人已经成为各个大学天文系的研究生和教师，他们的天文研究迫切地需要一批大中口径的天文光学望远镜。当时的美国尽管有着一批世界一流天文光学望远镜，但这些仪器全部集中在加州以及少数几座精英大学，如哈佛大学和芝加哥大学，并且这些大口径望远镜的观测时间也已经全部被预定满了。

当时刚刚经历过世界大战，加上在朝鲜发生战争，美国、欧洲和苏联在资金和技术上都面临一定困难，不可能建造更大口径光学天文望远镜。而建设中等口径的望远镜则不存在什么困难和风险，这时各种低膨胀系数的镜面材料也正在研制之中。中等口径光学望远镜本身具有相对大的集光口径，通过深度曝光也可以获得很好的穿透能力。另外通过建造一批中等口径望远镜，可以满足多位天文学家，尤其是众多的年轻天文学家的需要，同时进行多种天文观测。

当年5米海尔望远镜留下了一块3米的试制镜坯。利用这块镜坯，1959年美国很快建成3米沙恩（Shane）光学天文望远镜（图6）。当时这是世界上口径第二的光学天文望远镜。这个望远镜拥有一个比较特别的折轴固定焦点，可以安装体积很大的光谱仪。为了充分发挥这个光谱仪器的作用，1969年在沙恩望远镜附近又建造了一台专门使用这个折轴焦点的0.6米折轴辅助望远镜。

和3米沙恩望远镜几乎同时，1959年苏联在克里米亚天文台建造了一台沙因（Shain）2.6米反射光学天文望远镜（图7），沙因是一位乌克兰天文学家。这台望远镜就成为当时世界上仅小于海尔和沙恩的口径第三的光学天文望远镜。处在第四位的是2.54米的利克天文望远镜。不过苏联2.6米望远镜这个世界第三的纪录仅仅保持了9年。

在1963年，美国德州麦克唐纳天文台选择了一位光学专家出身的天文台台长。这位台长就是年轻的迈内尔，后来国家光学天文台的第一任台长。1968年这个天文台建成了一台口径2.7米的史密斯光学天文望远镜（图8）。这台望远镜取代了苏联沙因望远镜，成为口径世界第三的光学望远镜。然而，这台望远镜命运不济，两年以后，即1970年，一位被解雇的天文台员工因为对上司不满，拔出手枪，对着他的老板开了一枪后，又对着望远镜主镜连续开了几枪。所以直到今天，望远镜主镜上仍保留着清晰的弹孔，这台光学天文望远镜的实际口径面积因此减少了一小部分。

二战结束以后，同盟国之间战后短暂的平静很快就被东西方国家之间的冷战所破坏。1949年苏联的原子弹研制成功，宣告了美国的原子弹垄断地位的结束。1950年6月朝鲜发生内战，很快美国和中国先后卷入其中，美国很快发现他的军队第一次遇到了真正的对手。朝鲜战争消耗了美国大量人力财力。最后，双方签订了停战协议。

在朝鲜战争期间，苏联赢得了好几年宝贵的和平发展时间，科技事业获得了快速发展。1957年苏联发射了人类历史上第一枚人造地球卫星。这颗直径0.58米、重量84千克的小卫星立即在美国科学界尤其是天文学界引起了强烈反响。当时的英国，一台72.6米的射电望远镜很快就捕捉到这个很小的人造天体，而美国天文界却跟踪不到这颗人造卫星。紧接着1961年，苏联加加林在太空度过了短短的1小时48分钟，成为飞上太空的第一名宇航员。与此同时，苏联普尔科沃天文台开始研制一台口径达6米的光学天文望远镜。著名的光学专家马克苏托夫参加了6米光学望远镜的研制工作。

所有这些事件给美国天文光学望远镜和航天事业带来极大震动。1956年美国国家科学基金会根据美国射电望远镜落后的现实，在西弗吉尼亚专门成立了美国国家射电天文台，为美国射电天文学家从事科学研究提供大型射电天文望远镜设施。在苏联发射人造卫星，特别是发射载人航天器之后，1958年美国倾全国之力很快成立了一个具有垄断性质的国家航天局（NASA），其下包括一系列超大型科学研究机构，每一个研究机构的人员均在四五千人以上。1960年美国国家科学基金会又在亚利桑那州成立了美国国家光学天文台，这是一个和国家射电天文台具有相似目的的研究型服务机构，用以改变各个大学在光学天文望远镜使用分配上的不平衡现象。几乎同时，1958年，和美国遥遥相望的中国为了建造天文望远镜，在中国科学院成立了一个特别的研制单位——中国科学院南京天文仪器厂。

美国国家光学天文台成立以前，首先进行了台址勘察工作。天文台筹备组对美国所有可能的天文台台址进行了仔细考察和研究，最终选定了将亚利桑那州的基特峰作为天文台的观测基地。国家光学天文台成立后，就在图森附近的印第安人领地基特峰山上获得了约200英亩的土地使用权。这里距图森仅仅一个半小时的车程，周围几乎没有任何大型村庄和集镇。基特峰山顶海拔2000米，大气视宁度是美国本土中最好的。当时的国家光学天文台下属有南北两个光学观测天文台，分别是北半球的基特峰天文台和南半球智利中部山区的泛美国际天文台。之后又增加了位于新墨西哥州的国家太阳天文台。

基特峰光学天文台和泛美天文台成立的首要任务就是建造大口径的光学天文望远镜。最初的计划是在基特峰和南美洲各复制一台5米海尔光学天文望远镜。不过当时由于通货膨胀，5米光学望远镜的造价已经从600万美元上升到天价的1300万美元，而美国经济已大不如以前，实在无法获得这样一笔巨额资金。国家光学天文台根据海尔的经验将集资渠道转向资金雄厚的美国福特基金会，不过联系的结果并不令人满意。由于缺乏资金，国家光学天文台只好降低光学望远镜口径，变成在南北两个半球各建造一台4米光学天文望远镜。

为了验证望远镜的制造能力，新建立的天文台首先试制了一台1.3米光学天文望远镜，之后又建造了一台2.1米光学天文望远镜。南北两台4米光学天文望远镜的真正建造开始于1966年。它们的主镜面分别采用了两种不同的镜面材料，基特峰天文台采用通用电气的熔融石英，泛美天文台则采用微晶玻璃。

早在20世纪30年代，通用电气公司获得海尔5米望远镜的经费支持，制造了1.5米口径熔融石英镜坯，但却无法生产出更大口径的镜坯。经过30年，他们已经掌握了制造熔融石英大口径镜坯的技术。因为熔融石英膨胀系数低，他们选择了实心的厚镜面，没有设任何减重孔，整个4米实心镜坯和海尔5米减重镜坯一样重，均为19吨。经过整修外圆，减少了4吨镜面材料，之后又在镜坯中间切出一个直径1.3米的主镜孔，主镜镜面的重量降低为13.6吨，比14吨的海尔望远镜主镜只轻了不到1吨。

熔融石英是由纯净的氧化硅熔化以后迅速固化而形成的玻璃状材料，它的熔点很高，达2000℃，在熔化点流动性很差，热膨胀系数低至千万分之一。当时这种材料大多用于在高温中工作的试管和实验室容器。熔融石英的硬度也远远高于一般玻璃材料，所以它的抛光时间长，光洁度性能十分优越。

泛美天文台望远镜使用的是微晶玻璃主镜面。微晶玻璃的膨胀系数几乎是零，但是它的晶粒组织使它很难制造出具有减重孔、厚度变化较大的镜坯，所以这一块4米主镜坯也是一块厚度很大的实心镜坯。镜坯重量达25吨，比海尔望远镜的镜坯还要重7吨。1972年1月微晶玻璃的主镜镜坯交货（图9）。

在第一任台长迈内尔的组织下，镜面磨制工作就在美国国家光学天文台的光学车间进行。为了磨制这两块大镜面，检验镜面的质量，美国国家天文台在总部专门兴建了一个光学车间，制造了一台特大口径的磨镜机和一个高度二十几米的垂直光学检验塔。这两台望远镜中最关键的部件——主镜面将在天文台总部完成加工。

平均每个镜面的磨制加工约花费了3年时间。磨制过程分为三步：首先将镜面加工成最接近的球面；然后将球面加工成抛物面表面形状；最后使用小尺寸的磨具将镜面磨制到所需要的精度。磨制过程中，主要使用了刀口检验和哈特曼检验。在哈特曼检验中，有一块覆盖全口径面的哈特曼屏幕，屏幕上整齐排列着440个通孔。经过这些通孔的光在曲率中心处成像，为了方便对成像的数学处理，这些孔的阵列呈正方形排列。

两台4米光学望远镜的加工制造共花费了十多年时间。1973年基特峰天文台4米梅奥尔反射光学天文望远镜安装完成，这在当时是口径仅次于海尔望远镜，居于世界第二的光学天文望远镜。梅奥尔望远镜占据了基特峰天文台的最高点，拥有一个高大而壮观的天文圆顶。

这台光学望远镜仍然采用了传统赤道式的支撑结构，镜筒由巨大的马蹄形轭式结构支撑，总重达300吨。它的口径比海尔望远镜小，所以重量比海尔望远镜轻了近200吨。它同样使用承载能力很强的液压轴承。为了保证望远镜的运动不受圆顶室运动的干扰，望远镜和圆顶室的基础完全隔离开来。这台望远镜的圆顶总高度达56米，相当于一座18层的楼房，圆顶自重达500吨。为了避开地面附近大气扰动对天文观测的影响，望远镜的基墩距离地表面有30多米（图10和图11）。

4米梅奥尔光学天文望远镜安装以后，基特峰天文台又先后建造了口径2.1米、1.3米和0.9米三台光学天文望远镜，并建造了当时世界上规模最大的1.6米麦克马思-皮尔斯专门太阳塔。这台太阳望远镜的主镜焦比很长（达f/65），几乎是所有望远镜中最大的。

40多年以后，这座太阳塔依然是世界上口径最大的太阳望远镜，直到一台4米口径的先进技术太阳望远镜（ATST）出现。这台望远镜的制造开始于2013年，于2019年底建成，现已更名为井上建太阳望远镜（DKIST）。这台4米望远镜采用了偏轴的格里高利光学设计，大大减少了口径内的杂散光的影响。同时它采用了自适应光学技术和斑点干涉技术，以获得更高的空间、光谱和时间分辨率。

后来美国国家射电天文台在基特峰上建造了一台12米毫米波望远镜，现在这台望远镜已经转交给亚利桑那射电天文台。1994年光学天文台设计的3.5米新技术WIYN望远镜顺利建成，这台3.5米望远镜的圆顶仅仅是4米梅奥尔望远镜的几分之一（图12）。

基特峰天文台是世界上第一个光学天文望远镜最为集中的天文观测中心。之后又建成夏威夷山顶天文观测中心、智利北部拉西亚高山光学天文观测中心、西班牙克来瑞岛光学天文观测中心和智利北部的帕拉瑞天文观测中心。每一个观测中心都聚集着一大批光学天文望远镜。

梅奥尔天文望远镜建成一年以后，1974年国家光学天文台在南半球智利泛美天文台的4米布兰科望远镜（图13）也安装完毕，投入使用。这两台4米望远镜的设计除了镜面材料几乎完全相同。

有意思的是这两台4米光学天文望远镜分别使用了美国国家光学天文台下属的各自天文台的第二任而不是第一任台长的名字命名。这两个光学天文台的第一任台长分别是著名的光学专家迈内尔教授和著名的观测天文学家斯托克博士。

迈内尔教授出生于1922年，1940年他进入了加州理工大学学习，在学习期间曾经到光学公司实习，因此学会了透镜磨制方法。他甚至可以磨制出施密特望远镜的球差改正透镜。迈内尔的女友（后来成为了他的夫人）是天文专业学生。她的父亲在威尔逊天文台太阳望远镜上工作，母亲也是天文学家，曾经是芝加哥大学天文系的第一位女天文学博士。

1942年迈内尔结婚时，美国已经卷入了第二次世界大战。蜜月刚一结束，他就被应征入伍。战争期间，他曾经帮助从德国蔡司公司和肖特玻璃公司逃出来的专家，使他们顺利进入美国。1944年当迈内尔准备在一艘大型军舰上服役时，被召回到加州理工大学继续学习。几个月后这艘军舰受到了日本潜艇的攻击而沉没，艇上共有1200人，侥幸生还的只有300多人。1949年迈内尔在加州大学伯克利分校获得天文学博士学位，之后在芝加哥大学任教。并于1953年至1956年先后担任叶凯士天文台和德州麦克唐纳天文台台长。他发起建设了2.7米光学天文望远镜，1968年2.7米光学天文望远镜正式投入使用。

1956年迈内尔在美国科学基金会负责国家光学天文台的筹备工作，1958年担任基特峰光学天文台首任台长。他对于美国光学天文的发展有很大的贡献，亲自设计了一批中小口径的光学天文望远镜。迈内尔任基特峰光学天文台台长的时期，积极参与了美国哈勃空间光学望远镜的预研工作。由于这个原因，他受到了天文台内部一些人的强烈排挤。他们对他的指责主要有两点：第一是他过多地参与了空间望远镜的准备工作，影响了天文台的分内工作。第二就是多花了近十万美元的天文台经费。他担任台长不过短短几年，就在美国科学基金会的压力下，被迫辞去了台长职务。

1961年迈内尔说服了亚利桑那大学领导，成立大学内的光学研究中心。他亲自担任大学光学研究中心首任主任，同时还兼任亚利桑那大学天文系主任和斯图尔德天文台台长。现在这个光学研究中心已经成为美国最有影响力的光学中心。在他的领导下，光学研究中心从开始建立就开展了对主动光学和自适应光学的研究工作，并在这个重要领域内获得了许多成果。受光学中心的影响，图桑的周围形成了一个光学工业密集的新技术开发区。1993年亚利桑那大学光学中心大楼被命名为迈内尔大楼。

迈内尔曾经是美国光学学会、国际光学学会和国际天文学会的主席，是美国科学院院士。1978年后他多次访问了中国科学院南京天文仪器厂，对天仪厂的科技成果十分肯定，并数次为该厂科研人员授课。1985年迈内尔加入美国航天局的喷气动力实验室，1993年退休。他曾经是调查哈勃空间望远镜球差问题的主要骨干，也是韦伯空间望远镜的筹划人之一。89岁的迈内尔于2011年在拉斯维加斯去世。

斯托克博士是一名德国实测天文学家。从1950年代开始，他就致力于智利山区天文台台址的评估工作。他到达智利，很快就认识到原来所设想的三个接近首都圣地亚哥市的台址并不适宜天文台的建设，从而将天文台台址的调查工作转向了智利的北部山区。他在拉赛雷纳市附近发现了一个非常优秀的潜在天文台台址。在这个高高的台址上是一整片平坦的土地，迎风面是平静的大西洋。后来这里就成为美国国家光学天文台所属的泛美国际光学天文台台址。

为了继续开发智利优秀的天文观测资源，斯托克博士利用原始的交通工具，一处一处地进行台址的实地考察。当时这些潜在的台址完全没有公路，有时近30千米的山路，他组织驴马队，要花上好几个月才能到达最后的山顶地区。几十年以后，他依然清楚地记得第一次到达其中一个天文台台址的情景。当时是晚上，天空非常清晰透亮，头顶的星光是任何其他台址所无法比拟的。而山顶周围寂静无声，温度环境非常适宜，任何一个方向上都没有丝毫的人造灯光。

1962年斯托克博士应聘担任美国泛美天文台的第一任台长。上任后他参加了道路修建、开山平地、建设圆顶等十分艰巨而烦琐的工作。同时他将智利优秀的台址资源情况告诉了正在寻找南半球天文台台址的欧洲南方天文台，对欧南台的选址工作发挥了重大作用。

欧洲南方天文台曾经在非洲的中部进行台址调查工作，经过长时间的考察，最后一无所获。非洲大陆大气视宁度都非常差。后来根据斯托克的推荐，选择了智利的拉西亚来作为他们第一个光学天文观测基地。

1970年，正当4米光学天文望远镜在泛美天文台开始安装的时候，斯托克博士被迫离任。离任后，他曾在墨西哥短暂工作，后来长期在委内瑞拉工作，帮助这个国家建立了天文研究所，自己担任所长。斯托克博士是一名被遗忘的优秀天文台台址的开发者和南美洲天文研究的组织者。

基特峰光学天文台的和泛美天文台（图14）的两台4米天文望远镜在天文学的发展中发挥了重要作用。通过在这两台4米级天文望远镜对河外星系自转速度的详细观测，女天文学家鲁宾发现了星系中存在着看不见的暗物质，从而为现代宇宙学理论奠定了基础。