天文學：激光聚焦

姚人杰/編譯

天文學：激光聚焦

姚人杰/編譯

克萊爾·馬克斯站在加利福尼亞利克天文臺的3米口徑望遠鏡旁

●通過把激光照向天空，克萊爾·馬克斯讓目前的——以及未來的——望遠鏡的性能大為改觀。

在晴空萬里、不見月光的夜里，全球的大多數大型光學望遠鏡會先向天空發射一道金色的激光光束，接著再開始整晚的天文觀測。

克萊爾·馬克斯（Claire Max）并不愿將這種天文學燈光秀歸為自己的功勞，盡管激光的廣泛應用正是她三十年間完善與推進激光導星運動的明證。今年1月16日，美國天文學會向她頒發了2015年度天文儀器獎，認可了她的貢獻。馬克斯是加利福尼亞大學圣克魯茲分校的天文學家，對于她來說，自我吹捧是與實事求是背離的。克萊爾·馬克斯是個實事求是的人；就連她的說話方式也是謹慎之至的，仿佛有某個人一定要為她說的每個字作擔保似的。她的激情只會用在技術上。“我仍然為技術而入迷。”她一邊說，一邊展示一張張望遠鏡的照片。在照片里，激光與細光束閃耀，如尺子一般筆直地照向天空。

馬克斯解釋說，激光是望遠鏡自適應光學系統的關鍵要素，所謂的自適應光學能糾正大氣湍流的影響。沒有自適應光學系統的話，星辰與星系在高放大率下看起來像在舞動，光線的底端會見到畸變與朦朧，如同寶石一般。有了自適應光學系統，星辰與星系就會穩定又清晰，允許地基望遠鏡在日常中匹敵甚至超過美國宇航局（NASA）的哈勃空間望遠鏡獲得的清晰度。這一性能使得當前一代的望遠鏡能完成一系列高分辨率的研究，研究的目標包括外太陽系里的衛星，銀河中央的恒星。如今，它正使得人類能夠建造出測量直徑在20米至40米的望遠鏡，鏡面直徑是現存的任何一臺望遠鏡的4倍，而聚光能力增長到了16倍。

馬克斯從早年就參與了這項技術的發展：最早是驗證了激光輔助下的自適應光學，接著是建造了原型機，然后創建了一家研究中心，把這項技術傳播至全球各地的望遠鏡。

然而，馬克斯最了不起的成就也變成了她最大的挑戰。2014年10月，68歲的馬克斯同意擔任加利福尼亞大學天文臺（UCO）的臨時臺長，其他天文學家到她這把年紀時也許就盼著退休了。UCO這一機構負責加利福尼亞大學——美國境內最大的州立大學系統之一——擁有的所有天文學設施。處在臺長的位置上（無論是不是“臨時”的），馬克斯發現自己行進在天文學領域專業上與文化上的混亂中，而這一切都是下一代巨型望遠鏡的巨大花費引發的。

共有三臺下一代巨型望遠鏡處在不同的計劃和建造階段，每一臺都需要花費大約10億美元。馬克斯說，這些花費讓望遠鏡的所有者和贊助者陷入困境——其中也包括了UCO，他們是去年在夏威夷冒納凱阿山上開始建造的“30米望遠鏡（TMT）”項目的主要合作方。他們該如何為名下所有較舊較小的望遠鏡支付開銷？所有者應不應該屈服于財政壓力，關閉若干設施——盡管那些望遠鏡仍然是某些科研工作者不可或缺的研究設施，也是年輕天文學家的訓練場？或者，他們應不應該努力尋找嶄新的方式，讓所有設施繼續運行下去？

馬克斯感覺應該奮力爭取——利用她獨一無二的熱情、執著和決心。到目前為止，她節節勝利。加利福尼亞大學洛杉磯分校的天文學家安德烈婭·蓋（Andrea Ghez）說，在30年追求自適應光學系統的說服及共識構建過程中，馬克斯已經獲得了一種可靠的本能，她能夠在工程師、學者、資助方的官員、大學行政人員及所有其他在望遠鏡決策上擁有話語權的人士之間建立聯系。

安德烈婭·蓋表示，其中有些參與方有權有勢——他們是“餐桌旁的大猩猩”，想把你當成午餐吃掉。她還說，為了對付這些人，需要馬克斯之類的人：“懂計謀的大猩猩”。

第一道光

上世紀50年代初，馬克斯第一次透過望遠鏡看了夜空，當時這名曼哈頓土生土長的居民年僅8歲。“正是那個時刻，”她說，“我現在閉上眼睛，仍然能看見月球上的山脈。于是，我成為了一名天文學狂熱者。”

這股激情首先引領她進入新澤西州的普林斯頓大學求學，她在那兒取得了天文學博士學位；接著接受了加利福尼亞大學伯克利分校的博士后職位；隨后成為加利福尼亞勞倫斯-利福摩爾國家實驗室的職員；到了1983年，她成為Jason的成員。Jason是一群時常開會，在國家安全方面給予技術建議的科學家，常常為美國國防部效力。

馬克斯在Jason團體內參與的首項研究是美國空軍促成的，空軍希望能辨認出潛在的敵方衛星——對于這項任務而言，正如對于天文學家來說一樣，大氣層就是巨大的屏障。就算遇上晴朗的夜空，有著一臺優異的望遠鏡助力，湍流也會將角直徑在1角秒以下的細節給抹去——不如抬頭用望遠鏡觀察一下哈勃望遠鏡，它的尺寸和高度與間諜衛星類似，只看得出它是個圓柱體，其他情況看不出多少。

天文學家早已提出一種可能的解決辦法：用一面可變形的鏡片來反射進入望遠鏡的光線，而鏡片在電腦控制下變形。理論上，鏡片引發的畸變會剛好抵消大氣層引起的畸變，從而把影像恢復到接近完美的水準。但是，首先得要測量畸變，較好的辦法是觀察大氣層對于目標附近的明亮“導星”的影響。而五角大樓感興趣的那些快速移動目標附近并不總是有明亮的星星。

因此，美國空軍才向Jason團體請求幫助——馬克斯與同事們在一份機密報告里提供了援助。他們說，只需沿著望遠鏡的光軸向天空發射一道激光，假如激光被調至正確的波長，光束隨后會接觸到大約90公里高空的大氣層里懸浮的一層天然出現的鈉原子，并導致鈉原子發出熒光，生成一個從地面上可見的明黃色亮點——在效果上，好比是夜空里一顆到處都可獲取的導星（見圖示“讓星辰不再閃爍”）。

然而，馬克斯想得更加深刻。她知道鈉激光導星對于天文學家也是價值無可限量的，便構思出了一項美國空軍并未要求的附加設計，該設計更加適合研究需求。“我覺得這很酷。”她說道。

遺憾的是，那份設計與其他鈉激光導星技術一起被定為機密文件。于是，馬克斯與空軍內部一些同情她的科學家（他們知道該從什么渠道與軍方溝通）一道，花費了七年時間游說軍方將文件解密。他們的游說在1991年5月終于成功，空軍科學家羅伯特·富蓋特（Robert Fugate）被允許在美國天文學會在華盛頓州西雅圖舉辦的一次公開會議上描述人工導星技術。天文學界的反應參差不齊：有些天文學家早已在研究類似的技術，但沒有充足資金將研究深入，他們得知軍方早已秘密建造了激光導星設施后十分光火。但大多數研究者都對于他們將獲得不再模糊的太空影像的前景感到興奮。“現場一片喧囂，”富蓋特回憶說，與會人員“簡直拋出了百萬個問題。”

自適應光學大顯神通

然而，盡管天文學家們熱情滿滿，激光導星系統仍然有著極高的技術要求，成本昂貴，所需的技術開發也是大學所無法提供的。“大家寫了相關的論文，”馬克斯說，“但他們沒法把技術用到望遠鏡上。”于是，文件解密后不久，馬克斯意識到天文學家們需要原理驗證。如何做這件事的念頭來自于她與同事赫布·弗里德曼（Herb Friedman）共進午餐時。“我倆望著彼此，”她說，“接著我倆說道，‘活見鬼，我們在利福摩爾國家實驗室，做的就是激光器。’”

確實，實驗室內有一臺巨大的地下激光器，通常是用來分離同位素的，但可以調整至鈉原子的波長。所以，馬克斯與弗里德曼安排從激光器隧道頂部移除一塊進出口蓋，再安裝上一面反射鏡，把水平發射的激光通過洞口反射進天空。接著，他們在光束旁搭起一臺小型望遠鏡，尋找人工導星，測量大氣層畸變值。現場場景在黑暗中看來一定很怪異，馬克斯說道。遮蓋望遠鏡的帳篷因為偏離的激光而發出黃光；激光光束本身可以望至十公里遠，乃至更遠，當地有名婦女不斷打電話報警，報告說有不明飛行物在窺探利福摩爾的機密。但是，他們的驗證確實證明了馬克斯的設計如她預計的那樣奏效。

下一步是要掌握讓激光系統在一臺真正的天文望遠鏡上發揮作用所需的復雜的光學與機械工程技術。上世紀90年代中期，馬克斯與同事在UCO位于圣何塞的利克天文臺部署的原型機最終顯示，至少在波長較長時，該系統能讓天文臺的3米望遠鏡達到光的波本質所允許的最高分辨率。

然而，盡管如此，這也沒能說服天文學家們熱忱地使用這項技術。當時，人們認為激光導星“如此復雜，永遠無法與其他天文學儀器一起運轉。”馬克斯的一名同事康妮·洛克西（Connie Rockosi）說道。于是，馬克斯認定這項技術需要有“一個實踐社團”——一個中心之家，使用者能在那兒學習如何建造他們的激光導星設施。這個理念最終成為了“自適應光學中心”。該中心獲得了美國國家科學基金會（NSF）總共500萬美元、為期10年的撥款，于1999年在圣克魯茲校區開放，馬克斯最終擔任了中心的主管。馬克斯說，等到2010年撥款結束，中心不得不關門時，它已經從幾個人增長到了將近100人。

這招達成了最初的目的。激光輔助的自適應光學系統必須按照每臺望遠鏡的具體情況而建造，目前仍然成本高昂，每一套的價格達到數百萬美元。但是天文學家們——其中許多人在馬克斯的自適應光學中心接受了培訓——如今已經針對每臺光學望遠鏡而改進了技術，使得技術用得其所。幾乎所有目前排名為全球最大望遠鏡的旗艦望遠鏡都包括在內，從冒納凱阿山上的兩臺凱克10米望遠鏡到智利構成“歐洲特大望遠鏡”的四臺相同的8.2米口徑望遠鏡，無一例外。

優良的分辨率

望遠鏡越大，從自適應光學系統上獲得的優勢也就越大。在1微米波長（該波長位于光譜的紅外線區段，對天文學研究特別有用），哈勃空間望遠鏡的2.4米口徑鏡片能生成0.11角秒分辨率的影像。在那一波長下，有了激光導星的助力，利克天文臺的3米望遠鏡能有更好的表現：0.08角秒。但是像位于智利的“歐洲特大望遠鏡”的8米望遠鏡能把分辨率進一步提高到0.03角秒——幾乎比哈勃望遠鏡好了四倍。

這種視覺敏銳度令天文學家能夠追蹤環繞銀河中心黑洞運行的恒星，獲得那些環繞其他恒星運行的系外行星的影像，觀察那些被稱作褐矮星的常見低質量恒星，進行其他許多曾經不可能實現的研究。位于亞利桑那州圖森的美國國家光學天文臺臺長大衛·席爾瓦（David Silva）說，在這些領域沒有自適應光學的話，“我們不可能從地面取得任何進展。”

不過，受到自適應光學系統最大沖擊的，將會是在那些目前處在開發中的20米至40米口徑望遠鏡：位于智利的歐洲特大望遠鏡和巨型麥哲倫望遠鏡，冒納凱阿山上的TMT。這種巨型望遠鏡能收集到足夠的光線來研究一些遙遠、模糊的對象，譬如宇宙大爆炸后形成的第一批星系——但是假如它們的分辨率只有1角秒，就對不起建造它們的數十億美元的花費了。

不幸的是，正是因為高昂的花費，所以全球僅有三臺這種巨型望遠鏡——這反過來又代表僅有一小部分天文學家會有機會使用它們。同時，與那些大型項目無關的研究機構內的“貧困”天文學家正在失去使用3米和4米望遠鏡的機會——雖然這些較小的望遠鏡常常是大范圍巡天觀測、對于相對較近對象的目標觀察時的理想儀器。由于無增長的預算，以及對于智利ALMA射電望遠鏡之類大型項目的投資，NSF已經撤回了對3米和4米級別光學望遠鏡的資助。“對于一般的天文學家來說，越來越難獲得使用望遠鏡的時間。”NSF的天文學項目官員理查德·巴伐尼斯（Richard Barvainis）說，“這正在變成嚴重的問題。”

UCO自身也面臨著資金危機，馬克斯如今管理的這家機構簡直就是她助力創作出的局面的完美縮影。2013年9月，加利福尼亞大學教務長艾梅·多爾（Aimée Dorr）宣布說，大學對利克天文臺的資助會在五年內終止，原因包括TMT的建設花費，兩臺凱克望遠鏡的維護費用，以及UCO不斷下降的預算（在過去的十年里下降了一半）。天文學社群的回應是猛烈的抗議。他們堅持認為從1888年開始運行的利克天文臺仍然有用，是新儀器的試驗臺，也是研究生的訓練基地。

于是，2014年秋，馬克斯走進多爾的辦公室，說“我們能做些什么來實現雙贏？”并隨后開始擔任UCO的臨時臺長。多爾愿意嘗試；她聲稱馬克斯不僅“可信、直率、坦誠、穩健”，還能編制出至少一位前任臺長說不可能辦到的預算。在接下來的數個月內，馬克斯理清了UCO復雜的合作關系與預算，尋找辦法騰挪各種資金，平息了抗議，讓大學恢復了對于利克天文臺的資助。

馬克斯的下一項工作重點是為利克天文臺和兩臺凱克望遠鏡設計出一套周全的戰略方案。因為利克天文臺擁有自適應光學系統，而且天文學家相對較易使用設施，它可以用來進行數百至數千個對象的高精度巡天，譬如類星體研究。馬克斯說：“你可以逐一觀測，再把結果加在一起，就是一份數據量豐富的巡天成果了。”

馬克斯決定在加利福尼亞大學宣布UCO正式臺長人選時實施這套方案。新任臺長也許是馬克斯本人——她已經申請了這個職位——但假如不是，馬克斯說她會恢復原先的身份，一如既往地做一名天文學家兼工程師兼社團建設者。同樣，她也在研究多激光自適應光學系統，期望能做到糾正大氣層導致的畸變，又拓寬望遠鏡視界。她還在培訓一批特別的研究生——她說這些研究生“既熟悉儀器，又洞悉天文學”。

正是這種廣博的才能使得克萊爾·馬克斯實現了成就，安德烈婭·蓋說：“一名走尋常路的天文學家永遠做不了她完成的事。”

[資料來源：Nature][責任編輯：彥隱]