基于地面的天文学家如何克服地球的大气层

激光、镜子和计算技术的进步都能一起推动基于地面的天文学越过我们的大气层的限制。

STARTS WITH A BANG — MARCH 27, 2024

Ethan Siegel

2016 年 4 月 26 日，4 激光导星设施的第一光。这可以说是在一个现代天文台中使用的最先进的自适应光学系统并帮助天文学家以许多方式产生高质量的图像到甚至一台像哈勃一样基于太空的天文台能获得的。Credit: ESO/F. Kamphues

关键要点

甚至从地球上最伟大的地方，将你的望远镜指向夜空仍然像从一个游泳池底部向上凝视一样。

地球的大气层的扭曲效应不能被忽视，但由于一个激光技术和自适应光学的结合包括可变形的镜子，天文学家正在补偿。

今天，自适应光学是如此成功以至于许多基于地面的观测现在能与甚至哈勃太空望远镜竞争，在某些案例中进行卓越的科学。

关于我们的大气层最深厚的值得注意的属性之一是它不仅对阳光是透明的，而且也对星光的。随我们在太阳下山后将我们的目光转向天空，一个闪闪发光的行星、恒星、星系和星云挂毯照亮天空。如果我们要观望它，我们所要做的就是用适当的工具来看。

但我们的从这里地球上在那里的的观望被我们罕见的思考的方式限制。甚至在一个万里无云的夜晚，任何来自太空的光都必须穿过100多公里（超过60英里）的大气层，大气层本身在密度、温度和分子组成中有连续的变化。任何进入的光线都必须与大气层抗衡，即便大气层是透明的，光线可避免的被扭曲。

天文学家终于能够第一次克服地球的大气层，这里是怎样的。

比较的对来自爱丁堡和来自阿尔塔维斯塔10700英尺高的双鱼座阿尔法望远镜图像的地球的大气层的影响。来自 一幅1863 年的版画。你有要对抗的地球大气层越少，你能看位于宇宙之外的东西越好。Credit: Charles Piazzi Smyth/Public Domain

来观望宇宙的最佳方式是用你能创造的最大、最强大、最精确的望远镜。你的望远镜越大，能适合穿过它的波长就越多，增加它的分辨率。更大的望远镜也意味着更好的聚光能力，使你能够更快、更详细地看更暗的天体。这就是天体2020 十年勘察建议的建造两台全新30 米级新地面望远镜的原因，以及为什么一个来自美国国家科学基金会只建造一台的短视决定应该被推翻和否决的。

一旦你有一台大口径望远镜，你就必须弄清楚把它放在哪里收集光学上所需的最佳数据。你要可能的最黑暗的天空，远离任何和所有重要的光污染源，包括城市、鱿鱼渔场甚至月球。您要在最干燥的条件下将望远镜建在尽可能高的海拔高度，消除云层和水蒸气的影响。你要你的望远镜位于一个在那里你头顶的气流是平滑荷缓慢变化位置的层流而不是湍流气流。世界上光学天文学的三个最大地点依次是：

莫纳克亚山顶，

安第斯山脉的山顶，

拉帕尔马的山顶。

这张位于莫纳克亚山顶的斯巴鲁望远镜及其附近地区的设施照片显示一个冬季常见的发生：山顶下雪。右边的斯巴鲁望远镜紧挨着双凯克望远镜，在这张照片中其他天文台在更左边可见。莫纳克亚山的山顶是世界上光学地面天文学的最佳地点，由于莫纳克亚山的赤道位置、高海拔、高质量的看以及它一般的（但并非总是）高于云线的事实。Credit: Subaru Telescope/NAOJ

但无论你的高度有多高，你仍然要对抗的地球大气层。暖空气上升，冷空气下沉，风吹、地球自转等。所有这些影响以及更多造成我们大气中的分子恒定的移动和抖动。天文学上，每个观察者都必须试图找到来补偿连接到望远镜的每个相机像素的数以万亿计分子干扰的方法。

我们的大气层，无论我们多么试图最小化它，内在的都是一个动荡的实体。分层的气体层彼此跨过并相互作用，以一种有点混乱、不可预测的方式从任何观望角度流动。公平地说，最低的大气层对我们的观测密度最大是最干扰的，这就是为什么望远镜被建在如此高的海拔和处在众所周知的静止干燥空气的地方的。

几十年来，克服这个的唯一希望是向太空发射望远镜甚至乘坐热气球，在那里它上升在我们大部分（或全部）大气层之上。但在过去的几十年里，一种新的来帮助解决这个问题的方法已经浮现：使用自适应光学。

如果你观察一个天文目标并试图来成像它，大气层会严重扭曲沿它的从太空直到到达你的望远镜的路径上的光。但如果你知道甚至天空中单个天体（例如恒星）的确切位置和亮度数性，你能遵循来难以置信好补偿大气层的程序。这四个步骤如下：

测量来自整个窄视场的入射光，包括来自已知（导星）的入射光。

用分束器等技术将光分成两束光，其中一束光束被从镜子反射掉迫使它走更长的路径到达望远镜的仪器，延迟它的到来。

用来自非延迟光束的数据与一个表面相互作用，该表面检测来自这些已知（引导）恒星的光多被地球大气层扭曲来计算您需要一个什么样的镜子形状以便将来自引导星的光“反向扭曲”回到它的原始的点一样形状。

然后创建一个可变形的呈现精确的形状的镜子，反射掉所有延迟的入射光，然后观望“反向扭曲”的光来尽可能获得整个视野的一幅原始图像，包括该导星（或多颗星）。

这个想法是当延迟的反射光反射掉那个可变形的镜子然后被发送到你的仪器的传感器时，你应该最终有一个尽可能接近无扭曲的图像。

随光线进入您的自适应光学设置，您必须首先用一个分束器等设备创建一个你的光的副本，将一半发送到分析仪中，同时你通过增加它的路径长度延迟另一半，然后创建一个被设计来消除延迟光的扭曲并恢复你的原始导星的变形镜，， 然后反射掉自适应镜子的延迟光，从地面产生最佳图像。Credit: Gemini Observatory; Annotations: E. Siegel

这不仅仅涉及：

观察大气层，

知道恒星是内在的点一样的（从光学角度来看），

确定大气扭曲的影响是什么，

如果我们遵循该程序，当大气层条件刚好与我们获取导致我们来投射镜子形状的数据相同时，我们的镜子才能完成一个成功的去扭曲。.

这个过程被称为自适应光学的原因是因为我们知道我们不能只进行一次性的适应，而是我们必须持续地适应大气曾。镜子必须不断适应大气层中的混沌变化以补偿不断变化的扭曲。有一段时间，我们只能使用自适应光学来观察附近有一颗已知的、明亮的、广为人知的恒星作为引导的目标。但随着我们的技术已经进步，我们不再受到这种限制的束缚。

这张照片显示双子座南方的激光导星系统在运行。激光与地球高层大气中的粒子相互作用，并允许望远镜的光学元件实时校正以补偿大气湍流。来自钠层的激光在与我们大气层中的一层薄薄的钠相撞之前实际上“只”上升了大约60英里，钠吸收和重新辐射这些光，创造一颗人造导星。Credit: International Gemini Observatory/NOIRLab/AURA/NSF/M. Paredes

相反，人类已经开发出一个壮观的系统来适应没有出现明亮导星的大气层：通过用一个钠激光创造一颗人造恒星。我们的大气层是分层的事实对这种方法的成功是至关重要的。某些元素并非遍布整个地球大气层，而是被狭隘的约束在特定层中，在那里这些元素不能成功地与在其他层中发现的元素混合。因此，某些稀有元素仅在非常特定的海拔高度被发现。大气中非常罕见的元素之一是钠，它恰好集中在位于地球表面以上约 100 公里（60 英里）高度的非常薄的层中。

如果你向空气中发射钠激光——即被钠原子的吸收和发射特性驱动的激光——它将不受干扰的沿直线旅行（大气扭曲除外），因为低层大气层中没有一个原子有正确的量子属性来吸收它。激光将继续向前直到它与其他钠原子碰撞：首先被发现在那薄而高的层中，在那里它将被吸收并将它们送入激发态。然后，这些被激发的原子自发的去激发，向各个方向均匀的发射光，包括一小部分光回到你的望远镜的方向：你的激光来自的方向。这种人造光源由地面钠激光器创造，现在能被用作我们所叫的人造导星。

人造导星就像它非常出色和有用一样，但仍然不如拥有一颗真正的导星作为一个校准源来确定你的自适应光学镜的所需形状。在现实中，只要地球的引力是重要的地球的大气层继续存在，尽管很微弱：数百公里（或英里）。甚至稳固地在低地球轨道上的卫星和天文台，在大气层上方约600公里或更远的地方，由于由这些遥远的原子和分子提供的阻力最终也会落回地球。

但即便人造钠导星不会100%超过大气层，在如此高的高度拥有已知的光源消除99%以上的扭曲。甚至从地面上没有一个真正的导星，现代天文台能以可见的质量与天基望远镜竞争，但用远更大的望远镜。与哈勃望远镜相比，凯克望远镜、非常大望远镜（VLT）望远镜、斯巴鲁望远镜、双子座望远镜或加那利群岛望远镜的聚光能力是哈勃望远镜的19倍，而采用自适应光学器件的下一代望远镜如大麦哲伦望远镜（GMT）、TMT和极端大望远镜（ELT）将把这种优势提升到三位数：聚光能力是哈勃望远镜的100倍以上。

这位艺术家的渲染图显示在智利北部的赛罗阿尔玛宗上运行的超大望远镜的夜景。该望远镜不仅使用一种激光，而且使用多种激光在大气层中制造人造导星。使用人造导星，反射掉约100公里的大气层钠层对自适应光学的实施是非常有用的，并且能允许地面望远镜与完全在地球大气层上方的小型天基望远镜竞争，甚至超越各种指标。Credit: ESO/L. Calçada

用更好的聚光能力和足够高质量的自适应光学系统，包括一个视场的全面实时了解和足够成功的可变形镜，地面望远镜能与较小的天基望远镜相媲美甚至胜过它们。这不仅在理论上是正确的，而且实际上已经实现了 10 多年。2012年，当时世界上最先进的自适应光学技术附着到双子座天文台，首次能够在并排比较中超越哈勃太空望远镜，它们观察到相同的视场。

下面的对比图像展示了这一点，其中并排显示了两张图像：

一张来自双子座天文台，右侧是一台配备尖端自适应光学元件的地面8.19 米望远镜，

另一张是2.4 米高的哈勃太空望远镜拍摄的，该望远镜位于太空中 500 多公里处，左侧几乎没有大气层可以与之抗衡。

甚至用你自己的视觉工具，你的眼睛，你能够并排识别出双子座发现的哈勃错过的恒星的一些实例。

同一个星团已经被用两个不同的望远镜拍摄，在非常不同的情况下揭示了非常不同的细节。哈勃太空望远镜（左）在多个波长的光中观察球状星团NGC 288，而双子座望远镜（从地面，R）只在一个通道中观察。然而，一旦应用自适应光学，双子座的更大孔径、卓越的分辨率和增强的聚光能力允许它能够以比哈勃望远镜更好的分辨率看到更多的恒星，甚至在它的最好是可能的。Credit: NASA/ESA/Hubble (L); Gemini Observatory/NSF/AURA/CONICYT/GeMS-GSAOI (R)

自从这一里程碑取得以来，天文学家已经采取了一些步骤将自适应光学的成功推向新的领域。天空中的一个点只能提供关于整个大气层的如此多信息，而高达100公里仍然留下最高海拔- 以及最后约1%的大气层的影响 - 仍然不能解释。虽然在视野内测量良好、足够明亮的自然恒星是目前获取信息以补偿这些最高大气高度的唯一选择，但只夸你的视野添加额外的人工导星就能大大提高你的可变形镜子的质量和实用性。

下一个重大进展发生在帕拉纳尔天文台，该天文台设有非常大望远镜：在地球上最好的观测地点之一，由四台8米级望远镜组成。2016 年，不是只用一台激光器而是看到了4 激光导星设施 （4LGSF）自适应光学领域最先进的新改进的装置。通过望远镜跨视场创造各种人造导星，可变形的镜子能前所未有的补偿大气层的扭曲效应。未来的设施，如ELT、TMT和GMT，可能使用更多的激光器，为可变形镜提供一个更全面的映射。

如果我从未接触过天文仪器，我可能过着一个实际上从未看到过可变形镜（DM）运行的生活。现在我正在做一个，这里有一个摇摇晃晃的工作的可变形镜子（DM） 视频......在许多遥远天体的清晰图像背后的一个工程奇迹。pic.twitter.com/W4s0iy2pl1

— Maria Vincent (@themariavincent) March 21, 2024

而且，正如你在上面所看到的，一面可变形的镜子创造一个未扭曲天体的反射，你可以将它描述为类似于你从沙漠海市蜃楼中看到的：热的地面加热它周围的空气，并造成加热的空气以湍流的方式上升。但在这个例子中，造成这种视觉效果的不是湍流，它是有关湍流大气的信息正在被传递到可变形的镜子的事实，并且该镜子正在不断变形以补偿大气扭曲的信号。正如你所预料的那样，镜子的去扭曲的几何形状已经就像大气本身的整体扭曲效果一样大致相同！

几十年来，与大气层抗衡的唯一方法是要么与它一起生活，要么区超越它。然而，在过去的几年里，所有这些都已经开始改变。我们现在已经进入了这样一个几乎所有当前一代的旗舰级地面天文台已经都配备了类似于这里概述的自适应光学系统的时代。随着由自适应光学带来的成像改进和地面设施的庞大尺寸能力，地面天文学产生的图像质量能跨各种应用超过天基望远镜。就每美元的质量成像而言，配备了最新的现代技术的地面天文学，只是不能被我们目前在太空中所做的任何事情击败。

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