觀天者説 | 從功夫高手到絕地武士 ① 大氣不寧靜,望遠鏡看不清

中科院之聲2019-03-20 12:18:51

大家好,我是王嵐。接下來我會用四期的音頻節目為大家介紹,能夠讓地面上的望遠鏡看得更清楚的“自適應光學系統”。



附音頻文稿

400多年前,伽利略第一次將望遠鏡對向了天空,開啟了天文學的望遠鏡觀測時代。伽利略當時使用的望遠鏡的口徑是4釐米。口徑指的是望遠鏡鏡片的直徑,也就是我們平時會見到的單筒或者雙筒望遠鏡上的玻璃片的大小。


對於望遠鏡來説,口徑越大,收集光的能力就越強,就能夠對所觀測物體的細節有更好的分辨。就好像攝影愛好者扛着的長槍短炮一樣,同樣焦距的兩個鏡頭,個頭越大的那枚,成像往往就越清晰。因此,為了能夠看到更遙遠的、更闇弱的天體,天文學家希望建造口徑更大的望遠鏡進行觀測。




圖1:同樣是50mm的鏡頭,紅圈頭個頭最大,成像效果也最好


在伽利略之後,望遠鏡就越做越大。從最早伽利略所使用的4釐米的透鏡,到19世紀末建成的,有着1米直徑透鏡的葉凱氏望遠鏡(Yerkes telescope),再到20世紀末建成的,世界上最大的直徑10米的反射式望遠鏡凱克望遠鏡(Keck telescope)。


圖2:光學望遠鏡尺寸大小對比。圖中包括最大的折射式望遠鏡GPET(一排左一),目前最大的光學望遠鏡Keck望遠鏡(一排右二),以及未來的三個巨無霸,TMT,ELT和GMT


望遠鏡的口徑突飛猛進,對來自遙遠目標的闇弱微光也越來越靈敏。現在世界上正在建設中的光學紅外波段的望遠鏡的口徑達到了30到40米。


圖3:Thirty Meter Telescope。國際三十米望遠鏡,由美國、加拿大、日本、中國和印度合建的大口徑望遠鏡將於本世紀20年代末在夏威夷Mauna Kea山上建成


圖4:Extremely Large Telescope。極大望遠鏡,由歐洲南方天文台籌建,這台望遠鏡將在智利建成


圖5:Giant Magellan Telescope。巨型麥哲倫望遠鏡,由美國多家大學合作籌建,它將建立於智利的拉斯坎帕納斯天文台


值得注意的是,今天我們討論的是光學波段望遠鏡,也就是收集人類肉眼可見的光的望遠鏡。現在大家熟知的位於我國貴州的500米口徑FAST天眼射電望遠鏡,就是另外一個故事了。


那麼,是不是隻要有一台口徑越來越大的光學望遠鏡,我們就能看到越來越暗的遙遠天空的發光小點呢?


事實並非如此。在很早的時候,使用望遠鏡的觀星者們就發現,和他們期待的不一樣的是,隨着望遠鏡口徑的不斷增大,他們通過望遠鏡所看到的天體,並沒有進一步呈現出更多的細節,仍然是模糊的。


這是為什麼呢?牛頓研究了這一現象,並在他後來所寫的《光學》一書中講述到:“地面的望遠鏡分辨力無法提高,是因為大氣不夠寧靜”。


大氣不夠寧靜,指的是空氣本身並不是靜止的,而是在時刻變化和抖動的。這也是為什麼我們看到的天上的恆星,在一閃一閃眨着眼睛。


恆星發出的光線在到達我們眼睛之前,在傳播的路途中會穿過地球上的大氣。地球大氣不寧靜,時刻在抖動,導致我們看到的恆星的像也隨之抖動,而其實恆星本身並沒有閃閃爍爍。這也像我們在吃燒烤,或者圍着火堆的時候可能會看到的一樣,隔着緩緩上升的煙霧,對面的人和物看起來都會有些縹緲變幻。


大氣是始終存在的,抖動也始終存在。但是觀星者們不滿足於看到的模糊的團塊,想要一窺其中的究竟。怎麼辦?牛頓繼而指出:“唯一的解決方式是將望遠鏡建到高高的山巔”。越往高處走,大氣越稀薄,星光到達望遠鏡經過的大氣也越少。另外,越往高處走,地理環境就越簡單,大氣的抖動也越小。


所以人們開始把大望遠鏡放到高海拔的地方。你也許會很自然地想到,放到太空中,沒有大氣,豈不是更好。這是當然!著名的哈勃太空望遠鏡,就是這樣的例子。


圖6:直接用10米口徑的凱克望遠鏡去看土衞六泰坦,和用哈勃望遠鏡看到的截然不同


然而,太空望遠鏡有自己的限制。首先,建造太空望遠鏡難度巨大、成本極高。此外,受火箭載荷能力的限制,太空望遠鏡的口徑無法做到很大。哈勃太空望遠鏡的口徑(直徑)是2.4米,遠小於地面上的大望遠鏡的口徑。第三點,太空望遠鏡一旦送上天,望遠鏡後端的儀器就很難更換,使用的靈活性和維護也是一個非常大的問題。


圖7:維護中的哈勃望遠鏡


那麼,有沒有一個方法,能讓地面的望遠鏡克服大氣抖動的影響,使它的分辨力進一步提高,甚至能夠和太空望遠鏡相當呢?答案我們將在下期揭曉。


以上圖片出處:

1)https://www.the-digital-picture.com/Reviews/Canon-EF-50mm-f-1.8-STM-Lens.aspx

2)https://en.wikipedia.org/wiki/Extremely_large_telescope

3)http://www.cis.rit.edu/class/simg799/ao/aoWhatis.htm

4)https://www.universetoday.com/tag/expedition-42/page/2/


主創簡介

王嵐,國家天文台數值宇宙學團組,副研究員。主要研究方向為星系的形成和演化。

 

馮麓,國家天文台CTMT團組,副研究員。主要研究方向為自適應光學技術、激光導星技術、大口徑望遠鏡選址相關內容等。


主講人:王嵐

文稿撰寫:馮麓、王嵐

編輯:蔡琳

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