主動光學系統和(hé)自适應光學系統

         對打造功能更加強大(dà)的望遠鏡來(lái)說，尺寸和(hé)形狀都是很(hěn)重要的參數(shù)。主鏡面增大(dà)能捕捉更多(duō)光線，形狀完美的鏡面可(kě)以防止信号失真；兩者有(yǒu)效結合可(kě)以觀測到亮度更低(dī)的天體(tǐ)。然而這并非易事，因為(wèi)随着望遠鏡鏡面的增大(dà)，維持完美的鏡面形狀就變得(de)更加困難。

      20世紀六七十年代，解決這個(gè)問題成為(wèi)一項重大(dà)挑戰。當時(shí)的技(jì)術(shù)水(shuǐ)平決定了主鏡面的最大(dà)直徑隻有(yǒu)5米，一旦超過這個(gè)尺寸，鏡面就會(huì)在重力作(zuò)用下變形。如果要用當時(shí)的技(jì)術(shù)打造直徑超過5米的鏡面，就必須同時(shí)耗費大(dà)量資金打造用來(lái)支撐鏡面的巨型結構，這會(huì)使整台望遠鏡沉重得(de)令人(rén)難以想象，觀測效果卻未必能有(yǒu)多(duō)少(shǎo)提高(gāo)。想要保證光學精度，必須尋找新的方法。

主動光學系統

歐洲南方天文台的工程師(shī)雷蒙德·威爾遜想到了一個(gè)絕妙并且簡潔的方案，叫作(zuò)“主動光學”——使用輕薄并且可(kě)以變形的主鏡面，用一個(gè)動态支撐系統來(lái)進行(xíng)控制(zhì)。這個(gè)動态支撐系統可(kě)以随着望遠鏡朝向的改變，産生(shēng)相應的力來(lái)校(xiào)正重力引發的變形。

主動光學的新想法在歐洲南方天文台總部進行(xíng)了測試，使用的是1米口徑的薄鏡面，由75個(gè)緻動器(qì)動态支撐。緻動器(qì)是能夠高(gāo)精準移動和(hé)精确控制(zhì)的馬達，它們通(tōng)過向鏡面施加應力來(lái)校(xiào)正鏡面形狀，補償由重力産生(shēng)的變形。這套能動系統可(kě)以随着望遠鏡的移動持續保持鏡面的正确形狀。緻動器(qì)進行(xíng)的校(xiào)正由具備圖像分析模塊的計(jì)算(suàn)機進行(xíng)實時(shí)演算(suàn)，哪怕鏡面偏離理(lǐ)想形狀一丁點，都可(kě)以被該圖像分析模塊捕捉到。主動光學技(jì)術(shù)在歐洲南方天文台內(nèi)部成功研發并測試之後，被用來(lái)打造新技(jì)術(shù)望遠鏡（NTT）。因為(wèi)采用了主動光學系統，3.58米口徑的NTT的主鏡面隻有(yǒu)24厘米厚，重量也隻有(yǒu)6噸。

自1990年NTT開(kāi)始運行(xíng)以來(lái)，主動光學系統被應用于各主要望遠鏡，包括歐洲南方天文台的甚大(dà)望遠鏡（VLT）。事實證明(míng)，主動光學系統是天文學領域裏的遊戲規則颠覆者，威爾遜也因為(wèi)自己的發明(míng)而獲獎無數(shù)。

VLT的四個(gè)望遠鏡單元（UTs），每個(gè)都配備了迄今最好的主動光學系統。這一系統控制(zhì)着8. 2米口徑的微晶玻璃主鏡面，以及望遠鏡頂端1.1米口徑的輕量次級铍鏡面。望遠鏡的各個(gè)鏡面根據主動光學系統發出的信号進行(xíng)周期性自動調整。

由于采用了主動光學系統，四個(gè)UTs的主鏡面雖然重22噸，直徑8.2米，卻隻有(yǒu)17厘米厚，就像一個(gè)巨型烤薄餅！每個(gè)鏡面由電(diàn)腦(nǎo)控制(zhì)的150個(gè)緻動器(qì)支撐，它們被安裝在剛性逐漸增強的小(xiǎo)室內(nèi)， 重11噸。VLT的主動光學系統保證了鏡面始終維持在最佳形狀，可(kě)以一直提供優質的宇宙圖像。

今天，主動光學技(jì)術(shù)面臨着打造39米口徑極大(dà)望遠鏡（ELT）帶來(lái)的挑戰。ELT的主鏡面将由798塊獨立鏡面組成。每塊鏡面都可(kě)以通(tōng)過活塞和(hé)尖傾斜機制(zhì)移動，來(lái)補償溫度波動和(hé)重力造成的影(yǐng)響，使它們彼此鑲嵌成一整塊功能完善的巨型鏡面。

雖然主動光學系統可(kě)以保證望遠鏡的主鏡面始終保持最佳形狀，但(dàn)地球大(dà)氣擾動仍然會(huì)造成圖像失真，即使是在最佳天文觀測地點獲得(de)的圖像也不例外，例如歐洲南方天文台VLT所在的智利帕瑞納。大(dà)氣擾動使夜空(kōng)中的星星像是在眨眼睛，詩人(rén)眼中的這番詩意景象，對天文學家(jiā)來(lái)說則很(hěn)惱人(rén)，因為(wèi)它造成了宇宙圖像的細節丢失。在太空(kōng)中進行(xíng)觀測可(kě)以避免這種大(dà)氣擾動帶來(lái)的模糊效應，但(dàn)太空(kōng)望遠鏡與地面設施相比費用過高(gāo)，尺寸和(hé)觀測範圍都受到限制(zhì)。

在這種情況下，天文學家(jiā)轉而運用一種叫作(zuò)自适應光學的技(jì)術(shù)。複雜的可(kě)變形鏡面由電(diàn)腦(nǎo)控制(zhì)，根據地球大(dà)氣擾動造成的偏差進行(xíng)實時(shí)調整，使獲取的圖像幾乎與在太空(kōng)中拍攝的一樣清晰。與其他地面觀測手段相比，自适應光學系統經過校(xiào)正，可(kě)以用來(lái)觀測亮度很(hěn)低(dī)的天體(tǐ)，并且能夠獲得(de)更多(duō)細節。

通(tōng)過自适應光學系統觀測時(shí)，必須有(yǒu)一個(gè)和(hé)觀測對象亮度相近的對照天體(tǐ)，用來(lái)衡量地面大(dà)氣造成的模糊效應，以對望遠鏡鏡面形狀進行(xíng)相應調整。因為(wèi)夜空(kōng)中并不是随處可(kě)見合适的對照天體(tǐ)，天文學家(jiā)隻能通(tōng)過向高(gāo)空(kōng)大(dà)氣層發射高(gāo)頻激光束來(lái)模拟天體(tǐ)發光。因為(wèi)這些(xiē)激光導星，現在幾乎整個(gè)天空(kōng)都可(kě)以運用自适應光學系統進行(xíng)觀測了。

自1989年起，歐洲南方天文台在自适應光學系統和(hé)激光導星技(jì)術(shù)方面做(zuò)出了開(kāi)拓性貢獻。VLT的激光導星設施是南半球第一個(gè)此類導星系統，帕瑞納天文台擁有(yǒu)當今世界上(shàng)最先進、數(shù)量最多(duō)的自适應光學系統。

目前，歐洲南方天文台的自适應光學設施已經取得(de)了一流的科學研究成果，其中包括對一顆高(gāo)亮度恒星附近的行(xíng)星進行(xíng)觀測，以及銀河(hé)系中心黑(hēi)洞的主要特征研究。

目前，可(kě)以被同時(shí)應用于VLT和(hé)ELT的新一代自适應光學系統正在研發當中。這些(xiē)技(jì)術(shù)包括同時(shí)使用多(duō)個(gè)激光導星以及高(gāo)級自适應光學設備，例如SPHERE行(xíng)星搜索儀。此外，ELT将采用革命性的39米口徑主鏡面，為(wèi)了完成這項挑戰，一些(xiē)相應的高(gāo)級系統也正在研發當中。