地面上的太空望远镜是怎样克服地球大气层的干扰的？

我们的大气层最显著的特性之一是它不仅对阳光透明，而且对星光也透明。太阳下山后，当我们将目光转向天空时，行星、恒星、星系和星云组成的闪闪发光的织锦照亮了天空。如果我们想看到它，我们所要做的就是用适当的工具观察。

但是，从地球上看外面的世界，我们很少会想到一个重要的影响因素。即使是在万里无云的夜晚，任何从太空射向地球的光都必须穿过 100 多公里（超过 60 英里）的大气层，而大气层本身的密度、温度和分子组成也不断变化。任何射向太空的光都必须与大气层抗衡，尽管大气层是透明的，但光不可避免地会被扭曲。

到了今天，天文学家终于首次能够克服地球大气层对观测的影响了，下面介绍我们是如何做到的。

地球大气对从爱丁堡和阿尔塔维斯塔 10,700 英尺处拍摄的双鱼座 Alpha 望远镜图像的影响（对比）。

观察宇宙的最佳方式是使用你能制造的最大、最强大、最精确的望远镜。望远镜越大，它能容纳的光波长就越多，从而提高其分辨率。更大的望远镜也意味着更好的聚光能力，使你能够更快、更详细地看到较暗的物体。这就是为什么Astro2020 十年调查建议建造两台全新的 30 米级地面望远镜，以及为什么美国国家科学基金会只建造一架望远镜的短视决定应该被推翻的原因。

拥有大口径望远镜后，您必须弄清楚将其放置在哪里才能以最佳方式收集所需的数据。您希望天空尽可能黑暗，远离任何光污染源，包括城市、鱿鱼渔场，甚至月球。您希望在尽可能干燥的条件下将望远镜建在尽可能高的高度，以消除云层和水蒸气的影响。并且您希望将望远镜放置在上方气流平稳且缓慢变化的位置。世界上最适合光学天文学的三个地点依次为：

1. 莫纳克亚山顶，

2. 安第斯山脉的山顶，

3. 以及拉帕尔马山顶。

这张斯巴鲁望远镜及其在莫纳克亚山顶附近的设施照片显示了冬季常见的山顶积雪现象。右侧的斯巴鲁望远镜位于双子凯克望远镜旁边，其他天文台在这张图片的左侧更远的地方可见。莫纳克亚山顶是世界上进行光学地面天文学研究的最佳地点，这是因为莫纳克亚位于赤道，海拔高，视距好，而且通常（但并非总是）位于云线之上。

但无论你的海拔有多高，你仍然需要应对地球大气层的影响。包括暖空气上升，冷空气下沉；风吹；地球旋转等等。所有这些影响以及其他影响都导致我们大气中的分子不断移动。从天文学的角度来看，每个观察者都必须设法补偿数以万亿计的分子对望远镜上每个相机像素的干扰。

无论我们如何努力将大气最小化，大气本质上都是一个湍流实体。分层的气体层相互交错并相互作用，从任何角度看，都以一种有点混乱、不可预测的方式流动。可以说，最低的大气层密度最高，对我们的观测干扰也最大，这就是为什么望远镜建在如此高的高度，以及空气静止干燥的地方。

几十年来，解决这个问题的唯一希望就是将望远镜发射到太空，或者放在热气球上，这样望远镜就能飞到大部分（或全部）大气层之上。但在过去几十年里，出现了一种新方法来帮助解决这个问题——使用自适应光学。

如果你观察一个天文目标并试图对其进行成像，大气会严重扭曲光线从太空传到望远镜的路径。但是，如果你知道天空中哪怕一个物体（例如一颗星星）的确切位置和亮度特性，你都可以遵循一个程序来很好地补偿大气的影响。四个步骤如下：

1. 测量整个窄视野范围内的入射光，包括已知（导星）的入射光。

2. 使用类似分束器的技术将光分成两束，其中一束光从镜子上反射，迫使其沿着稍长的路径到达望远镜的仪器。

3. 使用来自短路径光束的数据与表面交互，检测已知（导星）光是如何被地球大气层扭曲的，以计算需要什么形状的镜子才能将来自导星的光“反向扭曲”回到其原始的点状形状。

4. 然后创建一个具有精确形状的可变形镜子，反射所有沿较长路径入射的光，然后查看“反向扭曲”的光，以尽可能获得包含该导星的整个视野的原始图像。

这个想法是，当路径较长的反射光从可变形镜上反射回来，然后被发送到仪器的传感器时，你应该得到尽可能接近无失真的图像，在适当形状的可变形镜和它所校正形状的路径较长的光的到达之间只有轻微的（~毫秒）偏移。

当光进入自适应光学装置时，您必须首先使用分束器等设备创建光的副本，将其中一半送入分析仪，同时通过增加路径长度来延迟另一半，然后创建一个变形镜，旨在消除延迟光的扭曲并恢复原始导星，然后将延迟光从自适应镜上反射出去，从而从地面产生最佳图像。

如果我们遵循该程序，只有当大气条件与我们获取决定镜子形状的数据时完全相同时，我们的镜子才能成功消除失真。

这一过程之所以被称为自适应光学，是因为我们知道我们不能只进行一次性的适应，而是必须持续地适应大气。镜子必须不断适应大气的混乱变化，以补偿不断变化的失真。有一段时间，我们只能使用自适应光学来观察附近有已知、明亮、易于理解的恒星作为指导的目标。但随着技术的进步，我们不再受这种限制的束缚。

这张照片显示了南双子座的激光导星系统正在运行。激光与地球上层大气中的粒子相互作用，并允许实时校正望远镜的光学系统以补偿大气湍流。来自钠层的激光实际上只上升了大约 60 英里，然后与我们自己大气层中的薄层钠相撞，后者吸收并重新辐射该光，从而形成一颗人造导星。

如今，人类已经开发出一种令人惊叹的系统来适应没有明亮导星的大气层——利用钠激光制造人造恒星。我们的大气层是分层的，这一事实对于这种方法的成功至关重要。某些元素并非遍布地球大气层，而是狭窄地分布在特定的层中，这些元素无法与其他层中的元素成功混合。因此，某些稀有元素只能在特定的高度发现。大气中非常稀有的元素之一是钠，它恰好集中在距离地球表面约 100 公里（60 英里）高度的一层非常薄的层中。

如果你向空中发射钠激光（即由钠原子的吸收和发射特性驱动的激光），它会不受干扰地沿直线传播（大气扭曲除外），因为低层大气中没有任何原子具有吸收它的量子特性。激光会继续前进，直到与其他钠原子碰撞：首先在薄而高的层中，它会被吸收并进入激发态。然后，那些激发原子会自发地去激发，向所有方向均匀发光，包括将一小部分光发射回望远镜。这种由地面钠激光产生的人工光源现在可以用作我们所说的人造导星。

人造导星虽然非常出色和实用，但仍然不如真正的恒星那样好，后者可以用作校准源来确定自适应光学镜面所需的形状。

但即使人造钠导星不会超过大气层的 100%，在如此高的高度拥有已知光源也能消除 99% 以上的失真。即使在没有真正导星的情况下从地面观测，现代天文台也可以在观测质量方面与太空望远镜相媲美，但望远镜的规模要大得多。与哈勃相比，凯克望远镜、斯巴鲁望远镜、双子座望远镜或加那利大望远镜的聚光能力是哈勃的 19 倍，而将采用自适应光学技术的下一代望远镜（如 GMT、TMT 和 ELT）将使这一优势达到三位数：聚光能力是哈勃的 100 多倍。

这幅艺术家绘制的渲染图展示了智利北部塞罗阿马索内斯山上运行的极大望远镜的夜景。图中显示，望远镜不仅使用一束激光，还使用多束激光在高空大气中制造人造导星。人造导星从约 100 公里高的大气层钠层反射回来，这对于实现自适应光学非常有用，可以让地面望远镜在各种指标上与完全位于地球大气层之上的小型太空望远镜相媲美，甚至胜过它们。

凭借更强大的聚光能力和足够高质量的自适应光学系统，包括对视场的全面实时了解和足够成功的可变形镜面，地面望远镜可以匹敌甚至超越较小的太空望远镜。这不仅在理论上是正确的，而且在实践中已经实现了 10 多年。2012 年，当时世界上最先进的自适应光学技术（安装在双子座天文台上）首次在并排比较中超越了哈勃太空望远镜，两者观察的视场相同。

下面的比较图展示了这一点，其中并排显示了两张图像：

· 右边一张是从双子座天文台拍摄的，这是一台地面上的 8.19 米望远镜，配备了尖端的自适应光学系统，

· 另一张是用 2.4 米哈勃太空望远镜拍摄的，该望远镜位于太空 500 多公里以上，左侧几乎没有大气层。

在下图中，即使使用您自己的视觉工具——您的眼睛，您也能够并排识别出双子座发现而哈勃错过的多个恒星。

同一星团曾被两架不同的望远镜拍摄过，在不同的情况下，它们呈现出的细节大不相同。哈勃太空望远镜（左）以多种波长的光观察了球状星团 NGC 288，而双子座望远镜（从地面拍摄，右）仅以单一通道观察。然而，一旦应用自适应光学系统，双子座望远镜的更大口径、更高分辨率和增强的聚光能力使其能够以比哈勃望远镜更好的分辨率观察更多恒星，即使在最佳状态下也是如此。

自实现这一里程碑以来，天文学家已采取多项措施，将自适应光学的成功推向新领域。天空中的单个点只能提供有限的大气整体信息，而上升到 100 公里后，最高海拔（大气影响的最后约 1%）仍无法解释。虽然目前，视野内经过良好测量的自然、足够明亮的恒星是获取信息以补偿最高大气高度的唯一选择，但只需在视野范围内添加额外的人工导星，就可以大大提高可变形镜的质量和实用性。

下一个重大进展发生在帕拉纳尔天文台，这里拥有 VLT——四台 8 米级望远镜阵列。这是地球上最好的观测点之一。2016 年，这里安装了自适应光学领域最先进的新改进——4激光导星设备(4LGSF)，而不是只使用一台激光器。通过在望远镜的视野范围内创建各种人造导星，可变形镜可以前所未有地补偿大气的扭曲效应。未来的设施，如 ELT、TMT 和 GMT，可能会使用更多激光器，为可变形镜提供更全面的校正依据。

而且，如上图所示，可变形镜面可反射未变形的物体，您可能将其描述为类似于沙漠海市蜃楼的景象——炎热的地面加热周围的空气，导致加热的空气以湍流方式上升。但在这种情况下，造成这种视觉效果的不是湍流；而是有关湍流大气的信息被传递到可变形镜面，并且该镜面不断变形以补偿大气变形的信号。正如您可能预料的那样，使光线不变形的镜面几何形状与大气本身的整体扭曲效果大致相同！

几十年来，与大气抗争的唯一方法要么是与之共存，要么是飞越大气层。然而，在过去几年里，这一切都开始改变。我们现在已经进入这样一个时代——几乎所有当代旗舰级地面天文台都配备了类似于本文概述的自适应光学系统。随着自适应光学带来的成像改进和地面设施的规模能力，地面天文学产生的图像质量可以超越各种应用中的太空望远镜。