主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)

晨飛

對(duì)打造功能更加強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，尺寸和形狀都是很重要的參數(shù)。主鏡面增大能捕捉更多光線，形狀完美的鏡面可以防止信號(hào)失真；兩者有效結(jié)合可以觀測(cè)到亮度更低的天體。然而這并非易事，因?yàn)殡S著望遠(yuǎn)鏡鏡面的增大，維持完美的鏡面形狀就變得更加困難。

20世紀(jì)六七十年代，解決這個(gè)問題成為一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平?jīng)Q定了主鏡面的最大直徑只有5米，一旦超過這個(gè)尺寸，鏡面就會(huì)在重力作用下變形。如果要用當(dāng)時(shí)的技術(shù)打造直徑超過5米的鏡面，就必須同時(shí)耗費(fèi)大量資金打造用來(lái)支撐鏡面的巨型結(jié)構(gòu)，這會(huì)使整臺(tái)望遠(yuǎn)鏡沉重得令人難以想象，觀測(cè)效果卻未必能有多少提高。想要保證光學(xué)精度，必須尋找新的方法。

主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)

歐洲南方天文臺(tái)的工程師雷蒙德·威爾遜想到了一個(gè)絕妙并且簡(jiǎn)潔的方案，叫作“主動(dòng)光學(xué)”——使用輕薄并且可以變形的主鏡面，用一個(gè)動(dòng)態(tài)支撐系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行控制。這個(gè)動(dòng)態(tài)支撐系統(tǒng)可以隨著望遠(yuǎn)鏡朝向的改變，產(chǎn)生相應(yīng)的力來(lái)校正重力引發(fā)的變形。

1976年，歐洲南方天文臺(tái)所屬的3. 6米口徑望遠(yuǎn)鏡開始運(yùn)行，當(dāng)時(shí)主動(dòng)光學(xué)還只是威爾遜腦海里的想法。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡是厚度達(dá)0.5米、重達(dá)11噸的龐然大物。

主動(dòng)光學(xué)的新想法在歐洲南方天文臺(tái)總部進(jìn)行了測(cè)試，使用的是1米口徑的薄鏡面，由75個(gè)致動(dòng)器動(dòng)態(tài)支撐。致動(dòng)器是能夠高精準(zhǔn)移動(dòng)和精確控制的馬達(dá)，它們通過向鏡面施加應(yīng)力來(lái)校正鏡面形狀，補(bǔ)償由重力產(chǎn)生的變形。這套能動(dòng)系統(tǒng)可以隨著望遠(yuǎn)鏡的移動(dòng)持續(xù)保持鏡面的正確形狀。致動(dòng)器進(jìn)行的校正由具備圖像分析模塊的計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)演算，哪怕鏡面偏離理想形狀一丁點(diǎn)，都可以被該圖像分析模塊捕捉到。主動(dòng)光學(xué)技術(shù)在歐洲南方天文臺(tái)內(nèi)部成功研發(fā)并測(cè)試之后，被用來(lái)打造新技術(shù)望遠(yuǎn)鏡（NTT）。因?yàn)椴捎昧酥鲃?dòng)光學(xué)系統(tǒng)，3.58米口徑的NTT的主鏡面只有24厘米厚，重量也只有6噸。

自1990年NTT開始運(yùn)行以來(lái)，主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)被應(yīng)用于各主要望遠(yuǎn)鏡，包括歐洲南方天文臺(tái)的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）。事實(shí)證明，主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)是天文學(xué)領(lǐng)域里的游戲規(guī)則顛覆者，威爾遜也因?yàn)樽约旱陌l(fā)明而獲獎(jiǎng)無(wú)數(shù)。

VLT的四個(gè)望遠(yuǎn)鏡單元（UTs），每個(gè)都配備了迄今最好的主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)。這一系統(tǒng)控制著8. 2米口徑的微晶玻璃主鏡面，以及望遠(yuǎn)鏡頂端1.1米口徑的輕量次級(jí)鈹鏡面。望遠(yuǎn)鏡的各個(gè)鏡面根據(jù)主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行周期性自動(dòng)調(diào)整。

由于采用了主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)，四個(gè)UTs的主鏡面雖然重22噸，直徑8.2米，卻只有17厘米厚，就像一個(gè)巨型烤薄餅！每個(gè)鏡面由電腦控制的150個(gè)致動(dòng)器支撐，它們被安裝在剛性逐漸增強(qiáng)的小室內(nèi)， 重11噸。VLT的主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)保證了鏡面始終維持在最佳形狀，可以一直提供優(yōu)質(zhì)的宇宙圖像。

今天，主動(dòng)光學(xué)技術(shù)面臨著打造39米口徑極大望遠(yuǎn)鏡（ELT）帶來(lái)的挑戰(zhàn)。ELT的主鏡面將由798塊獨(dú)立鏡面組成。每塊鏡面都可以通過活塞和尖傾斜機(jī)制移動(dòng)，來(lái)補(bǔ)償溫度波動(dòng)和重力造成的影響，使它們彼此鑲嵌成一整塊功能完善的巨型鏡面。

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)

雖然主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)可以保證望遠(yuǎn)鏡的主鏡面始終保持最佳形狀，但地球大氣擾動(dòng)仍然會(huì)造成圖像失真，即使是在最佳天文觀測(cè)地點(diǎn)獲得的圖像也不例外，例如歐洲南方天文臺(tái)VLT所在的智利帕瑞納。大氣擾動(dòng)使夜空中的星星像是在眨眼睛，詩(shī)人眼中的這番詩(shī)意景象，對(duì)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)則很惱人，因?yàn)樗斐闪擞钪鎴D像的細(xì)節(jié)丟失。在太空中進(jìn)行觀測(cè)可以避免這種大氣擾動(dòng)帶來(lái)的模糊效應(yīng)，但太空望遠(yuǎn)鏡與地面設(shè)施相比費(fèi)用過高，尺寸和觀測(cè)范圍都受到限制。

在這種情況下，天文學(xué)家轉(zhuǎn)而運(yùn)用一種叫作自適應(yīng)光學(xué)的技術(shù)。復(fù)雜的可變形鏡面由電腦控制，根據(jù)地球大氣擾動(dòng)造成的偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使獲取的圖像幾乎與在太空中拍攝的一樣清晰。與其他地面觀測(cè)手段相比，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過校正，可以用來(lái)觀測(cè)亮度很低的天體，并且能夠獲得更多細(xì)節(jié)。

通過自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)觀測(cè)時(shí)，必須有一個(gè)和觀測(cè)對(duì)象亮度相近的對(duì)照天體，用來(lái)衡量地面大氣造成的模糊效應(yīng)，以對(duì)望遠(yuǎn)鏡鏡面形狀進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。因?yàn)橐箍罩胁⒉皇请S處可見合適的對(duì)照天體，天文學(xué)家只能通過向高空大氣層發(fā)射高頻激光束來(lái)模擬天體發(fā)光。因?yàn)檫@些激光導(dǎo)星，現(xiàn)在幾乎整個(gè)天空都可以運(yùn)用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)了。

自1989年起，歐洲南方天文臺(tái)在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)和激光導(dǎo)星技術(shù)方面做出了開拓性貢獻(xiàn)。VLT的激光導(dǎo)星設(shè)施是南半球第一個(gè)此類導(dǎo)星系統(tǒng)，帕瑞納天文臺(tái)擁有當(dāng)今世界上最先進(jìn)、數(shù)量最多的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。

目前，歐洲南方天文臺(tái)的自適應(yīng)光學(xué)設(shè)施已經(jīng)取得了一流的科學(xué)研究成果，其中包括對(duì)一顆高亮度恒星附近的行星進(jìn)行觀測(cè)，以及銀河系中心黑洞的主要特征研究。

目前，可以被同時(shí)應(yīng)用于VLT和ELT的新一代自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)正在研發(fā)當(dāng)中。這些技術(shù)包括同時(shí)使用多個(gè)激光導(dǎo)星以及高級(jí)自適應(yīng)光學(xué)設(shè)備，例如SPHERE行星搜索儀。此外，ELT將采用革命性的39米口徑主鏡面，為了完成這項(xiàng)挑戰(zhàn)，一些相應(yīng)的高級(jí)系統(tǒng)也正在研發(fā)當(dāng)中。