防抖！自適應光學的由來

太空望遠鏡建不了太大，而且極其昂貴。地面望遠鏡雖然可以做得大很多，卻因為大氣抖動的原因，讓我們無法看清楚遠處天體的細節。

幸運的是，有一種方法，能夠讓地面望遠鏡克服大氣抖動，也就是牛頓所說的大氣不夠寧靜所帶來的影響，幫助地面望遠鏡提高分辨能力。這種方法就叫做自適應光學。

在冷戰時期，美國和蘇聯都往天上發射各種間諜衛星。對於其中任何一方來說，如果可以分辨出天空中對方的衛星是什麼型號，並且監測到間諜衛星經常在偷窺什麼地方，就可以儘早轉移敏感目標，並且迷惑對手。這些衛星和天體目標一樣，和觀測者中間也隔著時刻變化的大氣。即使用4米口徑的望遠鏡去看這些衛星，能看到的也只是模糊一團，什麼也分不清楚。

圖1：俄國監測到的美國間諜衛星。各種各樣，有長方形天線的（A），有盤狀天線的（B）。知道對手的動作是反偵察的重要一步

這個時候，美國國防高級研究計劃局（DARPA）發現，之前有一位名叫巴布科克（Babcock）的天文學家，提出過關於一種儀器的構想，這種儀器能夠消除大氣抖動對天文成像的影響。於是他們開始對這種儀器展開秘密的研製工作。最終，在上世紀70年代末，美國軍方利用該儀器實現了，對低軌道間諜衛星的高分辨成像監測。而這項技術就是我們現在所說的自適應光學技術。後來，在美國軍方對此技術解密之後，這項技術才逐漸在天文領域發展和應用起來。

圖2：美國星火靶場觀測到的間諜衛星。A：沒有使用自適應光學；B：使用自適應光學；C：使用自適應光學 後期圖像處理

這項聽上去非常神秘的自適應光學技術，是怎樣解決前面提到的大氣抖動的問題的呢？讓我們從光開始講起。

我們知道，光其實就是電磁波。如果望遠鏡接收到的電磁波是平面波，就會得到最好最銳利的成像效果。那些距離我們特別遙遠的天體，看上去近似一個點。以這個點為中心，電磁波以球面向外傳播。等到這些電磁波到達地球的時候，這個球體已經非常巨大，而接觸到地球的、相對很小的這部分電磁波，是可以被近似為平面波的。

然而，儘管到達地球上方的電磁波是平面波，在它們到達地面之前，還要穿過厚厚的大氣，就會在穿過的路途中受到大氣湍流，也就是大氣的抖動的影響。平面波會被大氣影響而變成複雜的曲面，通過望遠鏡得到的圖像就不再銳利，而會變得模糊。

因此，想要讓地面上的望遠鏡得到仍然銳利的圖像，就需要消除或者改正大氣湍流對圖像產生的扭曲。如果我們可以通過某種途徑，探測到觀測時的大氣湍流的形態，並且在成像系統的光路上施以相對應的矯正，就可以使進入到望遠鏡的、被扭曲的曲面波，變回平面波，因而得到銳利的、原本的圖像形態。這就好像給望遠鏡系統多戴了一副複雜的眼鏡。

然而，大氣湍流的變化是非常隨機而且迅速的，因此這副眼鏡的鏡片本身，需要能夠隨著大氣的變化而實時變換。在實際觀測中，我們可以對大氣實時形態進行探測，並且即刻做出矯正。

在對一個天體的成像曝光期間，如果這樣的實時矯正過程可以持續不斷地進行，那麼在理想情況下，最終的成像效果就會被矯正到和沒有大氣湍流影響的情況下一樣。這就是自適應光學系統的大致想法。

圖3：自適應光學系統大致原理圖。來自天體的平面波前被大氣影響發生畸變。自適應光學系統探測，校正畸變，還原天體本身的樣貌

因為這套矯正用的光學系統，可以自動不斷地適應大氣變化而進行調整，所以被稱為自適應光學系統，也就是可以自動適應的光學系統。

來源：中國科學院國家天文台

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