科學家通過向天空發(fā)射激光提升望遠鏡性能

原標題：天文學的燈光秀

Max發(fā)現(xiàn)自己正行進于天文學領(lǐng)域?qū)I(yè)和文化觀念上的一片混亂之中，而這是由那些新一代“龐然大物”帶來的巨大成本引發(fā)的。

Claire Max站在利克天文臺的3米望遠鏡旁邊 圖片來源：Laurie Hatch

在那些天氣晴朗的無月之夜，全球多數(shù)大型光學望遠鏡通過向天空發(fā)射金色激光束開始夜晚的觀測。

　　對于這場天文學上的燈光秀，Claire Max并不喜歡居功自傲，盡管激光器的普遍應用在某種程度上要歸功于她30年來堅持不懈的完善和推廣。出于對該項工作的認可，美國天文學會日前將2015年度天文儀器獎頒發(fā)給Max。在這位加州大學天文學家看來，自我炫耀是一件沒有效能的事。Max總是表現(xiàn)得很專業(yè)，甚至連講話的方式都很小心。她的熱情都留給了激光技術(shù)研究。

　　混亂中艱難前行

　　Max解釋說，激光器是望遠鏡自適應光學系統(tǒng)的一個關(guān)鍵部分。沒有自適應光學系統(tǒng)，高倍鏡看到的恒星和星系會出現(xiàn)跳動、扭曲，并且變得模糊不清。相反，有了該系統(tǒng)，看到的恒星和星系會保持穩(wěn)定和清晰，使地面望遠鏡獲得的清晰度通常能與美國宇航局的哈勃太空望遠鏡不相上下，甚至超過后者。這種能力使當前的望遠鏡得以開展針對一系列物體的高分辨率研究，包括從太陽系外的月亮到銀河系中心的恒星。而如今，它正助力建造直徑在20~40米、聚光能力達目前任何一臺望遠鏡16倍的望遠鏡。

　　Max從最早便參與了這個發(fā)展過程：從首個激光輔助自適應光學系統(tǒng)的演示到建造原型，然后建立中心，將該技術(shù)應用到全球望遠鏡上。不過，Max最大的勝利也成為她最大的挑戰(zhàn)。去年10月，在其他天文學家或許正盼著退休的年紀，68歲的Max同意擔任加州大學天文臺（UCO）臨時臺長。處在這個位置上，無論臨時與否，Max發(fā)現(xiàn)自己正行進于天文學領(lǐng)域?qū)I(yè)和文化觀念上的一片混亂之中，而這是由那些新一代“龐然大物”帶來的巨大成本引發(fā)的。

　　目前，共有3臺這樣的望遠鏡處在不同的計劃和建設(shè)階段，每臺均須花費約10億美元。Max表示，這些花費向望遠鏡的所有者和資助者提出了很大的難題，其中包括自去年開始在夏威夷莫納克亞山頂建設(shè)的30米望遠鏡的關(guān)鍵合作方——UCO。他們?nèi)绾螢樗邢鄬^老、規(guī)模更小的望遠鏡“買單”？所有者們是否應屈服于經(jīng)濟壓力關(guān)閉這些望遠鏡，盡管它們依舊是科研人員必不可少的主力設(shè)備和年輕天文學者的訓練場？又或者他們應當努力尋找創(chuàng)造性的方式讓所有設(shè)備繼續(xù)運行下去？

　　Max的直覺是奮力爭取：利用她得天獨厚的集熱情和決心于一體的性格優(yōu)勢。就目前而言，Max正贏得勝利。加州大學洛杉磯分校天文學家Andrea Ghez表示，經(jīng)過30年在追求自適應光學系統(tǒng)過程中的勸服和共識建立，Max具備了一種本能：將工程師、學術(shù)界人士、資助方領(lǐng)導、大學行政人員和其他所有在事關(guān)望遠鏡決策上擁有話語權(quán)的人聯(lián)系起來。

　　第一束光線

　　1983年，Max成為國防咨詢小組Jasons的一員。來自Jasons的科學家定期碰面，就國家安全提供技術(shù)建議，當然通常是為國防部服務(wù)。Max參加的首次會議便是解決美國空軍的需求：識別潛在的敵對衛(wèi)星。然而，即使是晴空萬里，并且有好的望遠鏡助力，大氣湍流也會將角直徑小于約1角秒的任何細節(jié)抹掉。

　　天文學家已經(jīng)提出了一個可能的解決辦法：能反射進入望遠鏡的光線并在電腦控制下發(fā)生變形的變形反射鏡。理論上，反射鏡的畸變會精確地抵消大氣產(chǎn)生的畸變，從而將圖像恢復到幾乎完美的狀態(tài)。不過，這種畸變首先要被測量出來，最好通過觀察大氣對目標附近明亮的導引星產(chǎn)生的影響來計算。然而，五角大樓感興趣的那些快速移動的目標附近，并非總是有明亮的星星可用。

　　這就是為何空軍向Jasons求助。Max和同事在一份機密報告中提供了解決方案：只須沿著望遠鏡的軸向夜空發(fā)射激光。如果激光被調(diào)節(jié)到恰當?shù)牟ㄩL，光束隨后會遇到漂浮在大氣層上空約90公里處自然形成的鈉原子層，并且使鈉發(fā)出熒光，從而產(chǎn)生在地面可見的亮黃色斑點。這在效果上相當于夜空中隨處可用的導引星。

　　不過，Max更進一步。她知道鈉激光導引星對天文學家來說也是極其寶貴的，便提出了一個空軍并未要求但更適合研究需要的附加設(shè)計。不幸的是，該設(shè)計同所有其他鈉激光導引星技術(shù)一樣成為機密。于是，Max和志同道合的空軍科學家在接下來的7年里游說軍隊披露這些信息。最終，他們勝利了：1991年，空軍科學家Robert Fugate被允許在天文學會的一次公開會議上介紹了人工導引星。

　　然而，盡管所有天文學家對此有著極大熱情，但該系統(tǒng)對技術(shù)要求很苛刻，且花費頗高，并需要那些無法負擔的高校自己開發(fā)。因此，在該技術(shù)解密不久，Max便意識到天文學家需要原理循證研究。在和同事Herb Friedman共進午餐時，Max想出了一個主意：“我們來自勞倫斯利物莫國家實驗室，作的就是激光研究。”

　　的確，該實驗室有一臺巨大的地下激光器。它通常被用來分離同位素，但能被調(diào)節(jié)到鈉的波長。于是，Max和Friedman把激光隧道頂部的一個蓋子移開，然后放置一面通過洞口將激光反彈回夜空的鏡子。隨后，他們在光束旁邊架上一臺小型望遠鏡，以尋找人工導引星并且測量大氣湍流造成的波前扭曲。下一步是要掌握激光系統(tǒng)在真正的望遠鏡上發(fā)揮作用所需的復雜光學和工程技術(shù)。上世紀90年代中期，Max和同事在UCO利克天文臺展示的原型最終證明，至少在長波光線上，該系統(tǒng)能使天文臺的3米望遠鏡達到最好的分辨率。

　　不過，即使這樣，也無法勸服天文學家接受這項技術(shù)。于是，Max意識到該技術(shù)需要一個“實踐共同體”，用戶在此能學習如何建造激光引導星。該想法變成一個由來自國家科學基金會（NSF）500萬美元、為期10年的項目所資助的自適應光學中心，并在1999年成立最終由Max領(lǐng)導的圣克魯茲校區(qū)。Max介紹說，到2010年，當資助結(jié)束、中心不得不關(guān)門時，它已由起初的幾個人發(fā)展成后來的近百人。

　　追求更好分辨率

　　望遠鏡越大，其能從自適應光學系統(tǒng)中獲得的優(yōu)勢便越多。在對天文學尤其有用的1微米波長時，哈勃太空望遠鏡的2.4米鏡片能產(chǎn)生分辨率在0.11角秒的圖像。而在激光導引星的幫助下，利克天文臺3米望遠鏡能做到更好，達到0.08角秒。8米望遠鏡則可以直接達到0.03角秒，性能幾乎好過哈勃的4倍。

　　這種視覺敏銳度能使天文學家追蹤繞銀河系中心黑洞運行的恒星，獲得其他恒星附近地外行星的圖像，觀察那些被稱為棕矮星的普通低質(zhì)量恒星，并且繼續(xù)開展很多其他曾經(jīng)不可能的研究。

　　不過，該系統(tǒng)將對目前正在建設(shè)中的20~40米望遠鏡影響最大，其包括均位于智利的歐洲極大型望遠鏡和巨型麥哲倫望遠鏡以及30米望遠鏡。如此大型的望遠鏡能收集到足夠的光線來研究一些模糊的、遙遠的物體，但如果其分辨率只有1角秒，那就對不起它們數(shù)十億美元的花費了。

高昂的花費也是只有3臺這樣的巨型望遠鏡的原因所在，而這反過來又意味著將來只有極少數(shù)天文學家能使用它們。與此同時，那些來自不屬于任何一個大型項目的研究機構(gòu)的“貧窮”天文學家，正在失去使用3米和4米望遠鏡的機會，即使這些小型儀器對大規(guī)模巡天觀測或相對較近物體的針對性觀測來說是非常理想的工具。NSF以預算有限和需要投資大型項目為由，已經(jīng)撤銷了對小型光學望遠鏡項目的資助。

　　UCO同樣面臨現(xiàn)金危機。2013年，教務(wù)長Aime Dorr宣布，由于建設(shè)30米望遠鏡耗資巨大，加州大學對利克天文臺的資助將在5年內(nèi)結(jié)束。天文學家對此表示了強烈抗議。于是，去年秋天，Max以走進Dorr辦公室并詢問“我們怎樣做才能實現(xiàn)雙贏”的方式開始了臨時臺長的任期。Dorr非常愿意嘗試，因為在她看來，Max不僅“可信、正直、誠實、謙遜”，而且能創(chuàng)造至少前任臺長表示無法實現(xiàn)的預算。在接下來的幾個月里，Max整理了UCO復雜的合作關(guān)系和預算，尋找不同的資助來源，撫平暴發(fā)的抗議，并且使加州大學恢復了對利克天文臺的資助。

　　Max下一個工作重點是為利克天文臺和凱克望遠鏡設(shè)計一套復雜的戰(zhàn)略規(guī)劃。她決定在加州大學宣布UCO常任臺長的人選時提出這個規(guī)劃。新的臺長或許會是Max，因為她已經(jīng)申請了該職位。但如果不是，Max表示自己將回歸一直擔任的天文學家—工程師—共同體建設(shè)者角色。同時，她正致力于研究既能校正大氣產(chǎn)生的畸變又能拓寬視野范圍的多激光自適應光學系統(tǒng)。Max還在培訓一批出色的研究生，而他們既懂得儀器又知曉天文學。（閆潔）

閆潔