主動光學系統和自適應光學系統

晨飛

對打造功能更加強大的望遠鏡來說，尺寸和形狀都是很重要的參數。主鏡面增大能捕捉更多光線，形狀完美的鏡面可以防止信號失真；兩者有效結合可以觀測到亮度更低的天體。然而這并非易事，因為隨著望遠鏡鏡面的增大，維持完美的鏡面形狀就變得更加困難。

20世紀六七十年代，解決這個問題成為一項重大挑戰。當時的技術水平決定了主鏡面的最大直徑只有5米，一旦超過這個尺寸，鏡面就會在重力作用下變形。如果要用當時的技術打造直徑超過5米的鏡面，就必須同時耗費大量資金打造用來支撐鏡面的巨型結構，這會使整臺望遠鏡沉重得令人難以想象，觀測效果卻未必能有多少提高。想要保證光學精度，必須尋找新的方法。

主動光學系統

歐洲南方天文臺的工程師雷蒙德·威爾遜想到了一個絕妙并且簡潔的方案，叫作“主動光學”——使用輕薄并且可以變形的主鏡面，用一個動態支撐系統來進行控制。這個動態支撐系統可以隨著望遠鏡朝向的改變，產生相應的力來校正重力引發的變形。

1976年，歐洲南方天文臺所屬的3. 6米口徑望遠鏡開始運行，當時主動光學還只是威爾遜腦海里的想法。這臺望遠鏡是厚度達0.5米、重達11噸的龐然大物。

主動光學的新想法在歐洲南方天文臺總部進行了測試，使用的是1米口徑的薄鏡面，由75個致動器動態支撐。致動器是能夠高精準移動和精確控制的馬達，它們通過向鏡面施加應力來校正鏡面形狀，補償由重力產生的變形。這套能動系統可以隨著望遠鏡的移動持續保持鏡面的正確形狀。致動器進行的校正由具備圖像分析模塊的計算機進行實時演算，哪怕鏡面偏離理想形狀一丁點，都可以被該圖像分析模塊捕捉到。主動光學技術在歐洲南方天文臺內部成功研發并測試之后，被用來打造新技術望遠鏡（NTT）。因為采用了主動光學系統，3.58米口徑的NTT的主鏡面只有24厘米厚，重量也只有6噸。

自1990年NTT開始運行以來，主動光學系統被應用于各主要望遠鏡，包括歐洲南方天文臺的甚大望遠鏡（VLT）。事實證明，主動光學系統是天文學領域里的游戲規則顛覆者，威爾遜也因為自己的發明而獲獎無數。

VLT的四個望遠鏡單元（UTs），每個都配備了迄今最好的主動光學系統。這一系統控制著8. 2米口徑的微晶玻璃主鏡面，以及望遠鏡頂端1.1米口徑的輕量次級鈹鏡面。望遠鏡的各個鏡面根據主動光學系統發出的信號進行周期性自動調整。

由于采用了主動光學系統，四個UTs的主鏡面雖然重22噸，直徑8.2米，卻只有17厘米厚，就像一個巨型烤薄餅！每個鏡面由電腦控制的150個致動器支撐，它們被安裝在剛性逐漸增強的小室內， 重11噸。VLT的主動光學系統保證了鏡面始終維持在最佳形狀，可以一直提供優質的宇宙圖像。

今天，主動光學技術面臨著打造39米口徑極大望遠鏡（ELT）帶來的挑戰。ELT的主鏡面將由798塊獨立鏡面組成。每塊鏡面都可以通過活塞和尖傾斜機制移動，來補償溫度波動和重力造成的影響，使它們彼此鑲嵌成一整塊功能完善的巨型鏡面。

自適應光學系統

雖然主動光學系統可以保證望遠鏡的主鏡面始終保持最佳形狀，但地球大氣擾動仍然會造成圖像失真，即使是在最佳天文觀測地點獲得的圖像也不例外，例如歐洲南方天文臺VLT所在的智利帕瑞納。大氣擾動使夜空中的星星像是在眨眼睛，詩人眼中的這番詩意景象，對天文學家來說則很惱人，因為它造成了宇宙圖像的細節丟失。在太空中進行觀測可以避免這種大氣擾動帶來的模糊效應，但太空望遠鏡與地面設施相比費用過高，尺寸和觀測范圍都受到限制。

在這種情況下，天文學家轉而運用一種叫作自適應光學的技術。復雜的可變形鏡面由電腦控制，根據地球大氣擾動造成的偏差進行實時調整，使獲取的圖像幾乎與在太空中拍攝的一樣清晰。與其他地面觀測手段相比，自適應光學系統經過校正，可以用來觀測亮度很低的天體，并且能夠獲得更多細節。

通過自適應光學系統觀測時，必須有一個和觀測對象亮度相近的對照天體，用來衡量地面大氣造成的模糊效應，以對望遠鏡鏡面形狀進行相應調整。因為夜空中并不是隨處可見合適的對照天體，天文學家只能通過向高空大氣層發射高頻激光束來模擬天體發光。因為這些激光導星，現在幾乎整個天空都可以運用自適應光學系統進行觀測了。

自1989年起，歐洲南方天文臺在自適應光學系統和激光導星技術方面做出了開拓性貢獻。VLT的激光導星設施是南半球第一個此類導星系統，帕瑞納天文臺擁有當今世界上最先進、數量最多的自適應光學系統。

目前，歐洲南方天文臺的自適應光學設施已經取得了一流的科學研究成果，其中包括對一顆高亮度恒星附近的行星進行觀測，以及銀河系中心黑洞的主要特征研究。

目前，可以被同時應用于VLT和ELT的新一代自適應光學系統正在研發當中。這些技術包括同時使用多個激光導星以及高級自適應光學設備，例如SPHERE行星搜索儀。此外，ELT將采用革命性的39米口徑主鏡面，為了完成這項挑戰，一些相應的高級系統也正在研發當中。