中国科学报:天文学的灯光秀——科学家通过向天空发射激光提升望远镜性能

Claire Max站在利克天文台的3米望远镜旁边 图片来源:Laurie Hatch
 
        Claire Max发现自己正行进于天文学领域专业和文化观念上的一片混乱之中,而这是由那些新一代“庞然大物”带来的巨大成本引发的。
        在那些天气晴朗的无月之夜,全球多数大型光学望远镜通过向天空发射金色激光束开始夜晚的观测。
        对于这场天文学上的灯光秀,Claire Max并不喜欢居功自傲,尽管激光器的普遍应用在某种程度上要归功于她30年来坚持不懈的完善和推广。出于对该项工作的认可,美国天文学会日前将2015 年度天文仪器奖颁发给Max。在这位加州大学天文学家看来,自我炫耀是一件没有效能的事。Max总是表现得很专业,甚至连讲话的方式都很小心。她的热情都 留给了激光技术研究。
        混乱中艰难前行
        Max解释说,激光器是望远镜自适应光学系统的一个关键部分。没有自适应光学系统,高倍镜看到的恒星和星系会出现跳动、扭曲,并且变得模糊不清。相反,有 了该系统,看到的恒星和星系会保持稳定和清晰,使地面望远镜获得的清晰度通常能与美国宇航局的哈勃太空望远镜不相上下,甚至超过后者。这种能力使当前的望 远镜得以开展针对一系列物体的高分辨率研究,包括从太阳系外的月亮到银河系中心的恒星。而如今,它正助力建造直径在20~40米、聚光能力达目前任何一台 望远镜16倍的望远镜。
        Max从最早便参与了这个发展过程:从首个激光辅助自适应光学系统的演示到建造原型,然后建立中心,将该技术应用到全球望远镜上。不过,Max最大的胜利 也成为她最大的挑战。去年10月,在其他天文学家或许正盼着退休的年纪,68岁的Max同意担任加州大学天文台(UCO)临时台长。处在这个位置上,无论 临时与否,Max发现自己正行进于天文学领域专业和文化观念上的一片混乱之中,而这是由那些新一代“庞然大物”带来的巨大成本引发的。
        目前,共有3台这样的望远镜处在不同的计划和建设阶段,每台均须花费约10亿美元。Max表示,这些花费向望远镜的所有者和资助者提出了很大的难题,其中 包括自去年开始在夏威夷莫纳克亚山顶建设的30米望远镜的关键合作方——UCO。他们如何为所有相对较老、规模更小的望远镜“买单”?所有者们是否应屈服 于经济压力关闭这些望远镜,尽管它们依旧是科研人员必不可少的主力设备和年轻天文学者的训练场?又或者他们应当努力寻找创造性的方式让所有设备继续运行下 去?
        Max的直觉是奋力争取:利用她得天独厚的集热情和决心于一体的性格优势。就目前而言,Max正赢得胜利。加州大学洛杉矶分校天文学家Andrea Ghez表示,经过30年在追求自适应光学系统过程中的劝服和共识建立,Max具备了一种本能:将工程师、学术界人士、资助方领导、大学行政人员和其他所 有在事关望远镜决策上拥有话语权的人联系起来。
        第一束光线
        1983年,Max成为国防咨询小组Jasons的一员。来自Jasons的科学家定期碰面,就国家安全提供技术建议,当然通常是为国防部服务。Max参 加的首次会议便是解决美国空军的需求:识别潜在的敌对卫星。然而,即使是晴空万里,并且有好的望远镜助力,大气湍流也会将角直径小于约1角秒的任何细节抹 掉。
        天文学家已经提出了一个可能的解决办法:能反射进入望远镜的光线并在电脑控制下发生变形的变形反射镜。理论上,反射镜的畸变会精确地抵消大气产生的畸变, 从而将图像恢复到几乎完美的状态。不过,这种畸变首先要被测量出来,最好通过观察大气对目标附近明亮的导引星产生的影响来计算。然而,五角大楼感兴趣的那 些快速移动的目标附近,并非总是有明亮的星星可用。
        这就是为何空军向Jasons求助。Max和同事在一份机密报告中提供了解决方案:只须沿着望远镜的轴向夜空发射激光。如果激光被调节到恰当的波长,光束 随后会遇到漂浮在大气层上空约90公里处自然形成的钠原子层,并且使钠发出荧光,从而产生在地面可见的亮黄色斑点。这在效果上相当于夜空中随处可用的导引 星。
        不过,Max更进一步。她知道钠激光导引星对天文学家来说也是极其宝贵的,便提出了一个空军并未要求但更适合研究需要的附加设计。不幸的是,该设计同所有 其他钠激光导引星技术一样成为机密。于是,Max和志同道合的空军科学家在接下来的7年里游说军队披露这些信息。最终,他们胜利了:1991年,空军科学 家Robert Fugate被允许在天文学会的一次公开会议上介绍了人工导引星。
        然而,尽管所有天文学家对此有着极大热情,但该系统对技术要求很苛刻,且花费颇高,并需要那些无法负担的高校自己开发。因此,在该技术解密不久,Max便 意识到天文学家需要原理循证研究。在和同事Herb Friedman共进午餐时,Max想出了一个主意:“我们来自劳伦斯利物莫国家实验室,作的就是激光研究。”
        的确,该实验室有一台巨大的地下激光器。它通常被用来分离同位素,但能被调节到钠的波长。于是,Max和Friedman把激光隧道顶部的一个盖子移开, 然后放置一面通过洞口将激光反弹回夜空的镜子。随后,他们在光束旁边架上一台小型望远镜,以寻找人工导引星并且测量大气湍流造成的波前扭曲。下一步是要掌 握激光系统在真正的望远镜上发挥作用所需的复杂光学和工程技术。上世纪90年代中期,Max和同事在UCO利克天文台展示的原型最终证明,至少在长波光线 上,该系统能使天文台的3米望远镜达到最好的分辨率。
        不过,即使这样,也无法劝服天文学家接受这项技术。于是,Max意识到该技术需要一个“实践共同体”,用户在此能学习如何建造激光引导星。该想法变成一个 由来自国家科学基金会(NSF)500万美元、为期10年的项目所资助的自适应光学中心,并在1999年成立最终由Max领导的圣克鲁兹校区。Max介绍 说,到2010年,当资助结束、中心不得不关门时,它已由起初的几个人发展成后来的近百人。
        追求更好分辨率
        望远镜越大,其能从自适应光学系统中获得的优势便越多。在对天文学尤其有用的1微米波长时,哈勃太空望远镜的2.4米镜片能产生分辨率在0.11角秒的图 像。而在激光导引星的帮助下,利克天文台3米望远镜能做到更好,达到0.08角秒。8米望远镜则可以直接达到0.03角秒,性能几乎好过哈勃的4倍。
        这种视觉敏锐度能使天文学家追踪绕银河系中心黑洞运行的恒星,获得其他恒星附近地外行星的图像,观察那些被称为棕矮星的普通低质量恒星,并且继续开展很多其他曾经不可能的研究。
        不过,该系统将对目前正在建设中的20~40米望远镜影响最大,其包括均位于智利的欧洲极大型望远镜和巨型麦哲伦望远镜以及30米望远镜。如此大型的望远镜能收集到足够的光线来研究一些模糊的、遥远的物体,但如果其分辨率只有1角秒,那就对不起它们数十亿美元的花费了。
        高昂的花费也是只有3台这样的巨型望远镜的原因所在,而这反过来又意味着将来只有极少数天文学家能使用它们。与此同时,那些来自不属于任何一个大型项目的 研究机构的“贫穷”天文学家,正在失去使用3米和4米望远镜的机会,即使这些小型仪器对大规模巡天观测或相对较近物体的针对性观测来说是非常理想的工具。 NSF以预算有限和需要投资大型项目为由,已经撤销了对小型光学望远镜项目的资助。
        UCO同样面临现金危机。2013年,教务长Aimée Dorr宣布,由于建设30米望远镜耗资巨大,加州大学对利克天文台的资助将在5年内结束。天文学家对此表示了强烈抗议。于是,去年秋天,Max以走进 Dorr办公室并询问“我们怎样做才能实现双赢”的方式开始了临时台长的任期。Dorr非常愿意尝试,因为在她看来,Max不仅“可信、正直、诚实、谦 逊”,而且能创造至少前任台长表示无法实现的预算。在接下来的几个月里,Max整理了UCO复杂的合作关系和预算,寻找不同的资助来源,抚平暴发的抗议, 并且使加州大学恢复了对利克天文台的资助。
        Max下一个工作重点是为利克天文台和凯克望远镜设计一套复杂的战略规划。她决定在加州大学宣布UCO常任台长的人选时提出这个规划。新的台长或许会是 Max,因为她已经申请了该职位。但如果不是,Max表示自己将回归一直担任的天文学家—工程师—共同体建设者角色。同时,她正致力于研究既能校正大气产 生的畸变又能拓宽视野范围的多激光自适应光学系统。Max还在培训一批出色的研究生,而他们既懂得仪器又知晓天文学。(闫洁)

        《中国科学报》 (2015-01-26 第3版 国际)
 

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