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标题: 还是看不清楚？看来望远镜该更新了 [打印本页]

作者: 秋水汇 时间: 2022-8-18 09:28
标题: 还是看不清楚？看来望远镜该更新了
1609年，天文学家伽利略制成了口径4.4cm的望远镜，并用它来观测玉轮、太阳、恒星和银河系。这是天下上第一台有科研产出的天文望远镜，伽利略用它发现了木星的卫星，并测定了太阳黑子周期。

伽利略正在教别人怎么利用望远镜（图源：Wikipedia）
工欲善其事，必先利其器。由于望远镜在天文学研究中起着举足轻重的作用，那怎样加大清楚度，天然成为了科学家们必要攻克的困难。
想要看得更清楚？贫苦加大口径

随着对望远镜光学原理的相识，科学家们总结出了影响望远镜分辨率的重要因素：口径。望远镜的口径越大，网络光的本事越强，可以大概捕捉的信息就越多。

以物理学家瑞利（Lord Rayleigh）定名的公式清楚地表达了光学体系孔径与分辨本事的关系
公式看不懂不要紧，它想说的实在就是，望远镜的口径越大，望远镜的分辨力越高，可以大概观察到的细节也就越多。

图源：作者自制
随着技能的进步，天文界制造地望远镜口径也越来越大。1789年，英籍德国人威廉-赫歇尔制成了口径为1.22米的反射式望远镜。1975年，苏联制作的六米口径反射式望远镜BTA-6正式亮相，它是其时天下上最大的望远镜。
但在现实利用中，BTA-6的观察效果和一米口径望远镜的观察效果相差无几。只管BTA-6拥有巨大的口径，大气湍流仍然牢牢限定着它的观测本事。BTA-6一年只有不到一半的夜晚可以大概举行观测，而且分辨力远远达不到瑞利公式的盘算效果。
干扰观测的大气湍流

夜晚眨眼睛的星星、酷热炎天蹊径远方扭曲的汽车、飞机发动机后方的情况、都是大气湍流造成的。在大气湍流的作用下，物体看上去好像被扭曲了。大气湍流导致光线在穿过大气时发生扭曲，使得望远镜观察到的图像质量大打扣头。

大气湍流导致望远镜观察到的月球图像产生变形（图源：Wikipedia）
早先，为了只管减小大气湍流带来的影响，科学家们选择在大气条件比力好的地方制作望远镜。BAT-6在制作前，十六支探险队被派往苏联的各个地域，终极选址在海拔2070米的北高加索山脉。现在，天下上比力告急的天文台险些都位于夏威夷、加那利群岛等大气条件比力好的地方。
只管云云，大气湍流对观测带来困扰仍然是无法制止的。饱受折磨的科学家们心想：大气湍流不是把光线给弄扭曲了吗？那能不能把光再给“扭”返来呢？在这个头脑的启发下，自顺应光学利用技能应运而生。
扭曲镜面的自顺应光学

早在1953年，科学家就提出了自顺应光学的概念，但在概念提出后数十年才真正得到突破。自顺应光学的核心是，可变形的镜面，以及探测光波扭曲环境的夏克-哈特曼波前传感器。利用可变形的镜面来改正大气湍流导致的畸变，从而大大进步光学体系的性能。

（图源：作者自制）
但是镜子要怎样变形？此中一种思绪是，制造一块非常薄的镜面，在镜面背后施加压力，促使镜面变形。
比如，欧航局的VLT巡天望远镜里边的变形镜体系就是如许的：
上边密密麻麻的小孔会安装一个个的小驱动器，然后再覆盖上一片非常薄的镜片，驱动器会动员镜片发生形变。

覆盖在驱动器上的超薄镜片（图源：欧航局官网）
装备自顺应光学体系的望远镜工作时，望远镜会朝着天空发射激光。这束激光的作用是丈量大气湍流带来了多少畸变，测得的数据是变形镜变形的参考依据。变形镜在一秒内可以调解上百次形变来应对不停厘革的大气湍流。

VLT天文望远镜得到的图像。左边是开启了自顺应光学体系后得到的图像，右侧是未开启自顺应光学体系后得到的图像。
（图源：欧航局官网）
办理了大气湍流这一困难后，天文界出现出一番“做大做强，再创光辉”的情况。已建成的大型望远镜有：
位于平静洋夏威夷岛上直径10米的凯克望远镜；

凯克望远镜（图源：Wikipedia）
位于西班牙拉帕尔玛岛上直径10.4米的加那利大型望远镜；
位于南非天文台直径11米的萨尔特望远镜。这几大望远镜之间堪称是诸神争霸，气力相当。
现在，操持制作另有直径30米的TMT望远镜，等效直径21.4米的巨型麦哲伦望远镜以及直径达42米的ELT望远镜。

ELT望远镜效果图（图源：欧航局官网）
自顺应光学的出现，不但对天文界做出了巨大的贡献，它在其他范畴也得到了广泛的应用。
在医学成像装备上，自顺应光学应用使我们可以大概得到更加清楚的人眼构造布局图像，推动了医学的进步；在人类未来最抱负能量泉源——核聚变范畴，自顺应激光光学可以大概产生质量更好的激光光束，为人类能源未来提出新大概。
有大气影响？那就上太空

除了自顺应光学体系，另有一种更直接的消除大气湍流的方法——去太空。
哈勃望远镜是人类拥有的第一台在大气层外工作的望远镜，它的口径是2.4米。由于它位于大气层之上，不会受到大气湍流的影响。哈勃望远镜的出现乐成补充了地面观测的不敷，资助科学家办理了许多天文学上的根本题目，也让人类对天文物理有更多的熟悉。
前不久升空的詹姆斯-韦伯望远镜（JWST）是太空望远镜的新任王者。相比于哈勃望远镜2.4米的口径，它不但口径更大（6.5米），
而且还装备了自顺应光学体系。

环球各大望远镜尺寸图集（图源：Wikipedia）
受制于火箭尺寸，JWST的镜面并不是一块团体，而是十八块六角型的镜片拼装构成。望远镜主镜面以折叠的方式进入太空，在太空中睁开，利用自顺应光学体系改正差别镜片的位置毛病。为了制止太阳对观测的影响，JWST还特意跑到150万千米远处的第二拉格朗日点去举行观测。
在建的太空望远镜中，另有中国科学院长春光机所计划制造的巡天空间望远镜。预计在2024年，巡天空间望远镜将发射升空并与天宫号空间站共轨运行。
中国科学家们还在研究在轨制造并组装望远镜的方案，补充火箭装载本事有限的不敷。大概不久以后，我们就会拥有在太空中工作的30米直径太空望远镜了。
大型天文望远镜堪称人类聪明与当代科技的集大成之作。人类对太空的不舍追寻，推动了天文望远镜技能的不停进步。而人类对宇宙的探索，也将不停举行下去。
参考文献：
[1] https://www.tmt.org/blog/tmt20180419
[2] https://www.eso.org/public/
[3] 姜文汉, Jiang, Wenhan,等. 自顺应光学发展综述[J]. 光电工程, 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] 天文望远镜简史 - jjjastronomy的文章 - 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/33304114

出品：科普中国
作者：海里的咸鱼
监制：中国科学院盘算机网络信息中央

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