1609年，天文學(xué)家伽利略制成了口徑4.4cm的望遠(yuǎn)鏡，并用它來觀測月亮、太陽、恒星和銀河系。這是世界上第一臺有科研產(chǎn)出的天文望遠(yuǎn)鏡，伽利略用它發(fā)現(xiàn)了木星的衛(wèi)星，并測定了太陽黑子周期。

伽利略正在教別人怎么使用望遠(yuǎn)鏡 （圖源：Wikipedia）

工欲善其事，必先利其器。由于望遠(yuǎn)鏡在天文學(xué)研究中起著舉足輕重的作用，那如何加大清晰度，自然成為了科學(xué)家們需要攻克的難題。

想要看得更清楚？麻煩加大口徑

隨著對望遠(yuǎn)鏡光學(xué)原理的了解，科學(xué)家們總結(jié)出了影響望遠(yuǎn)鏡分辨率的主要因素：口徑。望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，收集光的能力越強(qiáng)，能夠捕獲的信息就越多。

以物理學(xué)家瑞利（Lord Rayleigh）命名的公式清楚地表達(dá)了光學(xué)系統(tǒng)孔徑與分辨本領(lǐng)的關(guān)系

公式看不懂沒關(guān)系，它想說的其實(shí)就是，望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，望遠(yuǎn)鏡的分辨力越高，能夠觀察到的細(xì)節(jié)也就越多。

圖源：作者自制

隨著技術(shù)的進(jìn)步，天文界制造地望遠(yuǎn)鏡口徑也越來越大。1789年，英籍德國人威廉-赫歇爾制成了口徑為1.22米的反射式望遠(yuǎn)鏡。1975年，蘇聯(lián)建造的六米口徑反射式望遠(yuǎn)鏡BTA-6正式亮相，它是當(dāng)時(shí)世界上最大的望遠(yuǎn)鏡。

但在實(shí)際操作中，BTA-6的觀察結(jié)果和一米口徑望遠(yuǎn)鏡的觀察結(jié)果相差無幾。盡管BTA-6擁有巨大的口徑，大氣湍流仍然牢牢限制著它的觀測能力。BTA-6一年只有不到一半的夜晚能夠進(jìn)行觀測，而且分辨力遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到瑞利公式的計(jì)算結(jié)果。

干擾觀測的大氣湍流

夜晚眨眼睛的星星、炎熱夏天道路遠(yuǎn)方扭曲的汽車、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)后方的景象、都是大氣湍流造成的。在大氣湍流的作用下，物體看上去似乎被扭曲了。大氣湍流導(dǎo)致光線在穿過大氣時(shí)發(fā)生扭曲，使得望遠(yuǎn)鏡觀察到的圖像質(zhì)量大打折扣。

大氣湍流導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡觀察到的月球圖像產(chǎn)生變形 （圖源：Wikipedia）

起初，為了盡量減小大氣湍流帶來的影響，科學(xué)家們選擇在大氣條件比較好的地方建造望遠(yuǎn)鏡。BAT-6在建造前，十六支探險(xiǎn)隊(duì)被派往蘇聯(lián)的各個(gè)地區(qū)，最終選址在海拔2070米的北高加索山脈。目前，世界上比較重要的天文臺幾乎都位于夏威夷、加那利群島等大氣條件比較好的地方。

盡管如此，大氣湍流對觀測帶來困擾仍然是無法避免的。飽受折磨的科學(xué)家們心想：大氣湍流不是把光線給弄扭曲了嗎？那能不能把光再給“扭”回來呢？在這個(gè)思想的啟發(fā)下，自適應(yīng)光學(xué)利用技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

扭曲鏡面的自適應(yīng)光學(xué)

早在1953年，科學(xué)家就提出了自適應(yīng)光學(xué)的概念，但在概念提出后數(shù)十年才真正獲得突破。自適應(yīng)光學(xué)的核心是，可變形的鏡面，以及探測光波扭曲情況的夏克-哈特曼波前傳感器。利用可變形的鏡面來矯正大氣湍流導(dǎo)致的畸變，從而大大提高光學(xué)系統(tǒng)的性能。

（圖源：作者自制）

可是鏡子要如何變形？其中一種思路是，制造一塊非常薄的鏡面，在鏡面背后施加壓力，促使鏡面變形。

比如，歐航局的VLT巡天望遠(yuǎn)鏡里邊的變形鏡系統(tǒng)就是這樣的：

上邊密密麻麻的小孔會(huì)安裝一個(gè)個(gè)的小驅(qū)動(dòng)器，然后再覆蓋上一片非常薄的鏡片，驅(qū)動(dòng)器會(huì)帶動(dòng)鏡片發(fā)生形變。

覆蓋在驅(qū)動(dòng)器上的超薄鏡片 （圖源：歐航局官網(wǎng)）

裝備自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡工作時(shí)，望遠(yuǎn)鏡會(huì)朝著天空發(fā)射激光。這束激光的作用是測量大氣湍流帶來了多少畸變，測得的數(shù)據(jù)是變形鏡變形的參考依據(jù)。變形鏡在一秒內(nèi)可以調(diào)整上百次形變來應(yīng)對不斷變化的大氣湍流。

VLT天文望遠(yuǎn)鏡獲得的圖像。左邊是開啟了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)后獲得的圖像，右側(cè)是未開啟自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)后獲得的圖像。

（圖源：歐航局官網(wǎng)）

解決了大氣湍流這一難題后，天文界呈現(xiàn)出一番“做大做強(qiáng)，再創(chuàng)輝煌”的景象。已建成的大型望遠(yuǎn)鏡有：

位于太平洋夏威夷島上直徑10米的凱克望遠(yuǎn)鏡；

凱克望遠(yuǎn)鏡 （圖源：Wikipedia）

位于西班牙拉帕爾瑪島上直徑10.4米的加那利大型望遠(yuǎn)鏡；

位于南非天文臺直徑11米的薩爾特望遠(yuǎn)鏡。這幾大望遠(yuǎn)鏡之間堪稱是諸神爭霸，實(shí)力相當(dāng)。

目前，計(jì)劃建造還有直徑30米的TMT望遠(yuǎn)鏡，等效直徑21.4米的巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡以及直徑達(dá)42米的ELT望遠(yuǎn)鏡。

ELT望遠(yuǎn)鏡效果圖 （圖源：歐航局官網(wǎng)）

自適應(yīng)光學(xué)的出現(xiàn)，不僅對天文界做出了巨大的貢獻(xiàn)，它在其他領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

在醫(yī)學(xué)成像設(shè)備上，自適應(yīng)光學(xué)應(yīng)用使我們能夠獲得更加清晰的人眼組織結(jié)構(gòu)圖像，推動(dòng)了醫(yī)學(xué)的進(jìn)步；在人類未來最理想能量來源——核聚變領(lǐng)域，自適應(yīng)激光光學(xué)能夠產(chǎn)生質(zhì)量更好的激光光束，為人類能源未來提出新可能。

有大氣影響？那就上太空

除了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，還有一種更直接的消除大氣湍流的方法——去太空。

哈勃望遠(yuǎn)鏡是人類擁有的第一臺在大氣層外工作的望遠(yuǎn)鏡，它的口徑是2.4米。由于它位于大氣層之上，不會(huì)受到大氣湍流的影響。哈勃望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)成功彌補(bǔ)了地面觀測的不足，幫助科學(xué)家解決了許多天文學(xué)上的基本問題，也讓人類對天文物理有更多的認(rèn)識。

前不久升空的詹姆斯-韋伯望遠(yuǎn)鏡（JWST）是太空望遠(yuǎn)鏡的新任王者。相比于哈勃望遠(yuǎn)鏡2.4米的口徑，它不僅口徑更大（6.5米），

而且還裝備了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。

全球各大望遠(yuǎn)鏡尺寸圖集 （圖源：Wikipedia）

受制于火箭尺寸，JWST的鏡面并不是一塊整體，而是十八塊六角型的鏡片拼裝組成。望遠(yuǎn)鏡主鏡面以折疊的方式進(jìn)入太空，在太空中展開，利用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)糾正不同鏡片的位置偏差。為了避免太陽對觀測的影響，JWST還特意跑到150萬千米遠(yuǎn)處的第二拉格朗日點(diǎn)去進(jìn)行觀測。

在建的太空望遠(yuǎn)鏡中，還有中國科學(xué)院長春光機(jī)所設(shè)計(jì)制造的巡天空間望遠(yuǎn)鏡。預(yù)計(jì)在2024年，巡天空間望遠(yuǎn)鏡將發(fā)射升空并與天宮號空間站共軌運(yùn)行。

中國科學(xué)家們還在研究在軌制造并組裝望遠(yuǎn)鏡的方案，彌補(bǔ)火箭裝載能力有限的不足。也許不久以后，我們就會(huì)擁有在太空中工作的30米直徑太空望遠(yuǎn)鏡了。

大型天文望遠(yuǎn)鏡堪稱人類智慧與現(xiàn)代科技的集大成之作。人類對太空的不舍追尋，推動(dòng)了天文望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的不斷進(jìn)步。而人類對宇宙的探索，也將一直進(jìn)行下去。

參考文獻(xiàn)：

[1] https://www.tmt.org/blog/tmt20180419

[2] https://www.eso.org/public/

[3] 姜文漢, Jiang, Wenhan,等. 自適應(yīng)光學(xué)發(fā)展綜述[J]. 光電工程, 2018, 45(3):15.

[4] Angeli G Z , Dierickx P , Neill D , et al. Overview of the LSST active optics system[C]// Modeling, Systems Engineering, & Project Management for Astronomy VI. Modeling, Systems Engineering, and Project Management for Astronomy VI, 2014:91500G.

[5] Ellerbroek B L , Gilles L , Vogel C R . A Computationally Efficient Wavefront Reconstructor for Simulation of Multi-Conjugate Adaptive Optics on Giant Telescopes[J]. Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering, 2003.

[6] 天文望遠(yuǎn)鏡簡史 – jjjastronomy的文章 – 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/33304114

出品：科普中國

作者：海里的咸魚

監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心