Mauna Kea不再闪烁的星光<转帖>

牛筝

Richard J. Wainscoat
译自Sky & Telescope, Vol. 112, No. 6 (2006)

现在，使用先进技术的地基天文学家可以驯服大气层。

一闪一闪的小星星，
我想知道你是什么，
高高挂在天空上，
好像钻石在天上……

后院的观测者对恶劣的大气视宁度，也就是大气湍动导致的大倍率望远镜成像无休止地随机舞动、摇晃、增大或闪烁的现象已经很熟悉了，这与望远镜口径有多大或是光学质量如何出色无关。为克服这些局限，职业天文学家将天文台建在高山上，并将望远镜送入太空。
过去的10年间，自适应光学（AO）成为地基天文台为克服地球大气的模糊效应而采用的常规手段。这一技术利用遥远点源的光线分析大气湍动情况，最理想的点源是恒星。之后高速计算机以每秒将近1000次的频率非常迅速地调整望远镜光路中一块形变镜面的面形，这可以有效地抵消大气畸变。夏威夷Mauna Kea山顶的望远镜如凯克、双子、昴星团等使用了这一技术后，可以拍摄到与哈勃太空望远镜同样清晰（往往是更加清晰）的图象，代价是部分开支。
如果不使用自适应光学改正，在Mauna Kea拍摄的图象分辨率通常只有0.5角秒。自适应光学可以在此基础上改进10倍。这相当于从4公里（2.5英里）外阅读硬币上的字样！
　
模拟星
自适应光学的主要局限是，它要求在待测深空天体附近必须要有一颗明亮的引导星。这使得可观测范围只有全天的2%，严重限制了它的使用，并且不能研究许多有意思的天体。最近天文学家在地球高层大气中造出一颗人工引导星，克服了这一限制。他们将大功率激光投射到距离地面90公里的中间层大气稀薄钠原子层中。激光激发了钠原子，使它们发出波长589纳米的辐射，在天空中造出一个黄斑，看起来就象一颗恒星。

在月光下，8.1米北双子望远镜的钠激光器发出一道强烈的光束。光束在大气中造出了一颗人工“星”，可以作为补偿大气畸变的引导星，使天文学家得到以前无法在地面获得的衍射极限图象。（图片提供：Gemini Observatory）

凯克II号望远镜的激光引导星（LGS）系统是非常成功的，它使天文学家可观测的天空范围扩大了50倍，并对缺乏邻近天然引导星的天体拍摄了达到衍射极限的照片。2006年，使用LGS自适应光学的时间达到了100个夜晚，这已是凯克II号目前的最大极限了。双子望远镜今年也开始使用LGS系统，凯克I号预期2008年也要安装这一设备。今年1月28日，欧洲南方天文台设在智利Cerro Paranal的甚大望远镜中的一架进行了LGS系统的开光。智利Cerro Pachón的南双子望远镜也在进行类似计划。

10米凯克II号望远镜的钠激光（在无月光的夜晚投射而出）输出功率10至14瓦特，能造出一颗9.5至11等的人工引导星。星的亮度随激光功率和大气中钠含量的不同而变化。（图片提供：Richard J. Wainscoat）

双褐矮星系统J1534+1615的高分辨率图象是使用凯克II号望远镜的激光引导星系统在近红外波段得到的。双星角距0.11角秒。（图片提供：Michael Liu / University of Hawaii）

　
撞车
随着钠激光束在Mauna Kea山顶暗黑而纯净的夜空中日渐普遍，人们会考虑如何避免它们干扰其他望远镜的观测。有了山顶激光交通控制系统，“撞车”避免了，科学数据被不希望的激光干扰现象也减少了。
该系统的核心是Mauna Kea每架光学和红外望远镜的精确三维位置。这是在1998年的空中测量中完成的，得到的每架望远镜的经纬度精度都高于1米。每架设备的指向外加视场以及其观测是否会受到589纳米钠激光的不利影响（红外观测并不受激光影响）等信息都可以在一个加密站点上查到。这样，激光装置的操纵者就可以计算出其他望远镜在大气中的三维视场，并与他或她自己的激光束比较。这项计算也被用于将来的观测计划，因此潜在的冲突可以预计出来。如果激光束可能会穿过某架望远镜的视场，激光会被遮起。随后LGS观测者要等到冲撞期的结束，或转向另一个目标。

一打以上的望远镜安家在夏威夷的Mauna Kea山。这座挺拔在太平洋海面之上4205米的长期休眠火山顶为红外和可见光观测提供了晴朗、空气干燥以及温度稳定的理想环境。（图片提供：Richard J. Wainscoat）

对于肉眼来说，激光束远没有插图中展示的那么亮。人眼需要大量的氧气，在高海拔的Mauna Kea山顶，许多人的夜视能力并没有在海平面那样好。如果你不朝投射激光的望远镜方向上看，你是很难看到激光的。
当使用激光引导星的时候，我们会在圆顶外安置一组监视器，不停地扫描天空，搜索路过的飞机。每个监视器都配有切断开关，一旦有飞机经过可致盲的光束附近，明亮的激光立即关闭。（飞越Mauna Kea山顶的飞机是非常少的，大多数往返于夏威夷与美国本土之间的航班都从大岛北缘经过。）激光不能指向地平高度低于30度的位置，因为这样会大大增加使飞行员眼花的可能性。灵敏的全天监视照相机可能会最终取代监视器。
　
未来
虽然有很多优点，激光引导系统并非神奇的万灵药。它只能修正很小的视场（通常小于1角秒）。天然引导星如果足够亮，可以提供更锐利的图象。所以我们在使用激光自适应光学的同时，也在使用天然引导星自适应光学。激光的使用大大加重了天文台的负担和额外的人员需求，这包括激光操纵员和飞行器监视装置的配备，甚至还有美国空军空间指挥部对允许观测目标的每晚批准，以避免损害过路的在轨卫星。
使用激光自适应光学研究过的天体包括太阳系小天体、双褐矮星系统、银河系中心的特大质量黑洞、M31中的球状星团，以及高红移超新星和星系。
未来几年可以预计，激光生成的“星”使待研究的宇宙空前地清晰，分辨率空前地高，这将帮助人们获得激动人心的非凡发现。
作为夏威夷大学的天文学家，Richard J. Wainscoat管理着Mauna Kea山2.2米望远镜。他是山顶激光交通控制系统的设计者之一。他还是个热心的天体摄影家，可以在www.wainscoat.com/astronomy欣赏到他的部分照片

中国空军一号

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