1609年，天文學家伽利略制成了口徑4.4cm的望遠鏡，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鏡 （圖源：Wikipedia）

工欲善其事，必先利其器。由于望遠鏡在天文學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

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

以物理學家瑞利（Lord Rayleigh）命名的公式清楚地表達了光學系統(tǒng)孔徑與分辨本領的關系

公式看不懂沒關系，它想說的其實就是，望遠鏡的口徑越大，望遠鏡的分辨力越高，能夠觀察到的細節(jié)也就越多。

圖源：作者自制

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

但在實際操作中，BTA-6的觀察結果和一米口徑望遠鏡的觀察結果相差無幾。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行觀測，而且分辨力遠遠達不到瑞利公式的計算結果。

干擾觀測的大氣湍流

夜晚眨眼睛的星星、炎熱夏天道路遠方扭曲的汽車、飛機發(fā)動機后方的景象、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。大氣湍流導致光線在穿過大氣時發(fā)生扭曲，使得望遠鏡觀察到的圖像質量大打折扣。

大氣湍流導致望遠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，科學家們選擇在大氣條件比較好的地方建造望遠鏡。BAT-6在建造前，十六支探險隊被派往蘇聯(lián)的各個地區(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？在這個思想的啟發(fā)下，自適應光學利用技術應運而生。

扭曲鏡面的自適應光學

早在1953年，科學家就提出了自適應光學的概念，但在概念提出后數(shù)十年才真正獲得突破。自適應光學的核心是，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致的畸變，從而大大提高光學系統(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安裝一個個的小驅動器，然后再覆蓋上一片非常薄的鏡片，驅動器會帶動鏡片發(fā)生形變。

覆蓋在驅動器上的超薄鏡片 （圖源：歐航局官網(wǎng)）

裝備自適應光學系統(tǒng)的望遠鏡工作時，望遠鏡會朝著天空發(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)。變形鏡在一秒內可以調整上百次形變來應對不斷變化的大氣湍流。

VLT天文望遠鏡獲得的圖像。左邊是開啟了自適應光學系統(tǒng)后獲得的圖像，右側是未開啟自適應光學系統(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，再創(chuàng)輝煌”的景象。已建成的大型望遠鏡有：

位于太平洋夏威夷島上直徑10米的凱克望遠鏡；

凱克望遠鏡 （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鏡；

位于南非天文臺直徑11米的薩爾特望遠鏡。這幾大望遠鏡之間堪稱是諸神爭霸，實力相當。

目前，計劃建造還有直徑30米的TMT望遠鏡，等效直徑21.4米的巨型麥哲倫望遠鏡以及直徑達42米的ELT望遠鏡。

ELT望遠鏡效果圖 （圖源：歐航局官網(wǎng)）

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

在醫(yī)學成像設備上，自適應光學應用使我們能夠獲得更加清晰的人眼組織結構圖像，推動了醫(yī)學的進步；在人類未來最理想能量來源——核聚變領域，自適應激光光學能夠產(chǎn)生質量更好的激光光束，為人類能源未來提出新可能。

有大氣影響？那就上太空

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

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

前不久升空的詹姆斯-韋伯望遠鏡（JWST）是太空望遠鏡的新任王者。相比于哈勃望遠鏡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光學系統(tǒng)。

全球各大望遠鏡尺寸圖集 （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。望遠鏡主鏡面以折疊的方式進入太空，在太空中展開，利用自適應光學系統(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150萬千米遠處的第二拉格朗日點去進行觀測。

在建的太空望遠鏡中，還有中國科學院長春光機所設計制造的巡天空間望遠鏡。預計在2024年，巡天空間望遠鏡將發(fā)射升空并與天宮號空間站共軌運行。

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

大型天文望遠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，推動了天文望遠鏡技術的不斷進步。而人類對宇宙的探索，也將一直進行下去。

參考文獻：

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

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

[3] 姜文漢, Jiang, Wenhan,等. 自適應光學發(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

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