天文學(xué)：激光聚焦

姚人杰/編譯

天文學(xué)：激光聚焦

姚人杰/編譯

克萊爾·馬克斯站在加利福尼亞利克天文臺的3米口徑望遠(yuǎn)鏡旁

●通過把激光照向天空，克萊爾·馬克斯讓目前的——以及未來的——望遠(yuǎn)鏡的性能大為改觀。

在晴空萬里、不見月光的夜里，全球的大多數(shù)大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡會先向天空發(fā)射一道金色的激光光束，接著再開始整晚的天文觀測。

克萊爾·馬克斯（Claire Max）并不愿將這種天文學(xué)燈光秀歸為自己的功勞，盡管激光的廣泛應(yīng)用正是她三十年間完善與推進(jìn)激光導(dǎo)星運(yùn)動的明證。今年1月16日，美國天文學(xué)會向她頒發(fā)了2015年度天文儀器獎，認(rèn)可了她的貢獻(xiàn)。馬克斯是加利福尼亞大學(xué)圣克魯茲分校的天文學(xué)家，對于她來說，自我吹捧是與實事求是背離的。克萊爾·馬克斯是個實事求是的人；就連她的說話方式也是謹(jǐn)慎之至的，仿佛有某個人一定要為她說的每個字作擔(dān)保似的。她的激情只會用在技術(shù)上。“我仍然為技術(shù)而入迷?！彼贿呎f，一邊展示一張張望遠(yuǎn)鏡的照片。在照片里，激光與細(xì)光束閃耀，如尺子一般筆直地照向天空。

馬克斯解釋說，激光是望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，所謂的自適應(yīng)光學(xué)能糾正大氣湍流的影響。沒有自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的話，星辰與星系在高放大率下看起來像在舞動，光線的底端會見到畸變與朦朧，如同寶石一般。有了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，星辰與星系就會穩(wěn)定又清晰，允許地基望遠(yuǎn)鏡在日常中匹敵甚至超過美國宇航局（NASA）的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡獲得的清晰度。這一性能使得當(dāng)前一代的望遠(yuǎn)鏡能完成一系列高分辨率的研究，研究的目標(biāo)包括外太陽系里的衛(wèi)星，銀河中央的恒星。如今，它正使得人類能夠建造出測量直徑在20米至40米的望遠(yuǎn)鏡，鏡面直徑是現(xiàn)存的任何一臺望遠(yuǎn)鏡的4倍，而聚光能力增長到了16倍。

馬克斯從早年就參與了這項技術(shù)的發(fā)展：最早是驗證了激光輔助下的自適應(yīng)光學(xué)，接著是建造了原型機(jī)，然后創(chuàng)建了一家研究中心，把這項技術(shù)傳播至全球各地的望遠(yuǎn)鏡。

然而，馬克斯最了不起的成就也變成了她最大的挑戰(zhàn)。2014年10月，68歲的馬克斯同意擔(dān)任加利福尼亞大學(xué)天文臺（UCO）的臨時臺長，其他天文學(xué)家到她這把年紀(jì)時也許就盼著退休了。UCO這一機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)加利福尼亞大學(xué)——美國境內(nèi)最大的州立大學(xué)系統(tǒng)之一——擁有的所有天文學(xué)設(shè)施。處在臺長的位置上（無論是不是“臨時”的），馬克斯發(fā)現(xiàn)自己行進(jìn)在天文學(xué)領(lǐng)域?qū)I(yè)上與文化上的混亂中，而這一切都是下一代巨型望遠(yuǎn)鏡的巨大花費引發(fā)的。

共有三臺下一代巨型望遠(yuǎn)鏡處在不同的計劃和建造階段，每一臺都需要花費大約10億美元。馬克斯說，這些花費讓望遠(yuǎn)鏡的所有者和贊助者陷入困境——其中也包括了UCO，他們是去年在夏威夷冒納凱阿山上開始建造的“30米望遠(yuǎn)鏡（TMT）”項目的主要合作方。他們該如何為名下所有較舊較小的望遠(yuǎn)鏡支付開銷？所有者應(yīng)不應(yīng)該屈服于財政壓力，關(guān)閉若干設(shè)施——盡管那些望遠(yuǎn)鏡仍然是某些科研工作者不可或缺的研究設(shè)施，也是年輕天文學(xué)家的訓(xùn)練場？或者，他們應(yīng)不應(yīng)該努力尋找嶄新的方式，讓所有設(shè)施繼續(xù)運(yùn)行下去？

馬克斯感覺應(yīng)該奮力爭取——利用她獨一無二的熱情、執(zhí)著和決心。到目前為止，她節(jié)節(jié)勝利。加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的天文學(xué)家安德烈婭·蓋（Andrea Ghez）說，在30年追求自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的說服及共識構(gòu)建過程中，馬克斯已經(jīng)獲得了一種可靠的本能，她能夠在工程師、學(xué)者、資助方的官員、大學(xué)行政人員及所有其他在望遠(yuǎn)鏡決策上擁有話語權(quán)的人士之間建立聯(lián)系。

安德烈婭·蓋表示，其中有些參與方有權(quán)有勢——他們是“餐桌旁的大猩猩”，想把你當(dāng)成午餐吃掉。她還說，為了對付這些人，需要馬克斯之類的人：“懂計謀的大猩猩”。

第一道光

上世紀(jì)50年代初，馬克斯第一次透過望遠(yuǎn)鏡看了夜空，當(dāng)時這名曼哈頓土生土長的居民年僅8歲?！罢悄莻€時刻，”她說，“我現(xiàn)在閉上眼睛，仍然能看見月球上的山脈。于是，我成為了一名天文學(xué)狂熱者?！?/p>

這股激情首先引領(lǐng)她進(jìn)入新澤西州的普林斯頓大學(xué)求學(xué)，她在那兒取得了天文學(xué)博士學(xué)位；接著接受了加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的博士后職位；隨后成為加利福尼亞勞倫斯-利福摩爾國家實驗室的職員；到了1983年，她成為Jason的成員。Jason是一群時常開會，在國家安全方面給予技術(shù)建議的科學(xué)家，常常為美國國防部效力。

馬克斯在Jason團(tuán)體內(nèi)參與的首項研究是美國空軍促成的，空軍希望能辨認(rèn)出潛在的敵方衛(wèi)星——對于這項任務(wù)而言，正如對于天文學(xué)家來說一樣，大氣層就是巨大的屏障。就算遇上晴朗的夜空，有著一臺優(yōu)異的望遠(yuǎn)鏡助力，湍流也會將角直徑在1角秒以下的細(xì)節(jié)給抹去——不如抬頭用望遠(yuǎn)鏡觀察一下哈勃望遠(yuǎn)鏡，它的尺寸和高度與間諜衛(wèi)星類似，只看得出它是個圓柱體，其他情況看不出多少。

天文學(xué)家早已提出一種可能的解決辦法：用一面可變形的鏡片來反射進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡的光線，而鏡片在電腦控制下變形。理論上，鏡片引發(fā)的畸變會剛好抵消大氣層引起的畸變，從而把影像恢復(fù)到接近完美的水準(zhǔn)。但是，首先得要測量畸變，較好的辦法是觀察大氣層對于目標(biāo)附近的明亮“導(dǎo)星”的影響。而五角大樓感興趣的那些快速移動目標(biāo)附近并不總是有明亮的星星。

因此，美國空軍才向Jason團(tuán)體請求幫助——馬克斯與同事們在一份機(jī)密報告里提供了援助。他們說，只需沿著望遠(yuǎn)鏡的光軸向天空發(fā)射一道激光，假如激光被調(diào)至正確的波長，光束隨后會接觸到大約90公里高空的大氣層里懸浮的一層天然出現(xiàn)的鈉原子，并導(dǎo)致鈉原子發(fā)出熒光，生成一個從地面上可見的明黃色亮點——在效果上，好比是夜空里一顆到處都可獲取的導(dǎo)星（見圖示“讓星辰不再閃爍”）。

然而，馬克斯想得更加深刻。她知道鈉激光導(dǎo)星對于天文學(xué)家也是價值無可限量的，便構(gòu)思出了一項美國空軍并未要求的附加設(shè)計，該設(shè)計更加適合研究需求?！拔矣X得這很酷?！彼f道。

遺憾的是，那份設(shè)計與其他鈉激光導(dǎo)星技術(shù)一起被定為機(jī)密文件。于是，馬克斯與空軍內(nèi)部一些同情她的科學(xué)家（他們知道該從什么渠道與軍方溝通）一道，花費了七年時間游說軍方將文件解密。他們的游說在1991年5月終于成功，空軍科學(xué)家羅伯特·富蓋特（Robert Fugate）被允許在美國天文學(xué)會在華盛頓州西雅圖舉辦的一次公開會議上描述人工導(dǎo)星技術(shù)。天文學(xué)界的反應(yīng)參差不齊：有些天文學(xué)家早已在研究類似的技術(shù)，但沒有充足資金將研究深入，他們得知軍方早已秘密建造了激光導(dǎo)星設(shè)施后十分光火。但大多數(shù)研究者都對于他們將獲得不再模糊的太空影像的前景感到興奮?！艾F(xiàn)場一片喧囂，”富蓋特回憶說，與會人員“簡直拋出了百萬個問題?！?/p>

自適應(yīng)光學(xué)大顯神通

然而，盡管天文學(xué)家們熱情滿滿，激光導(dǎo)星系統(tǒng)仍然有著極高的技術(shù)要求，成本昂貴，所需的技術(shù)開發(fā)也是大學(xué)所無法提供的?！按蠹覍懥讼嚓P(guān)的論文，”馬克斯說，“但他們沒法把技術(shù)用到望遠(yuǎn)鏡上。”于是，文件解密后不久，馬克斯意識到天文學(xué)家們需要原理驗證。如何做這件事的念頭來自于她與同事赫布·弗里德曼（Herb Friedman）共進(jìn)午餐時。“我倆望著彼此，”她說，“接著我倆說道，‘活見鬼，我們在利福摩爾國家實驗室，做的就是激光器。’”

確實，實驗室內(nèi)有一臺巨大的地下激光器，通常是用來分離同位素的，但可以調(diào)整至鈉原子的波長。所以，馬克斯與弗里德曼安排從激光器隧道頂部移除一塊進(jìn)出口蓋，再安裝上一面反射鏡，把水平發(fā)射的激光通過洞口反射進(jìn)天空。接著，他們在光束旁搭起一臺小型望遠(yuǎn)鏡，尋找人工導(dǎo)星，測量大氣層畸變值?，F(xiàn)場場景在黑暗中看來一定很怪異，馬克斯說道。遮蓋望遠(yuǎn)鏡的帳篷因為偏離的激光而發(fā)出黃光；激光光束本身可以望至十公里遠(yuǎn)，乃至更遠(yuǎn)，當(dāng)?shù)赜忻麐D女不斷打電話報警，報告說有不明飛行物在窺探利福摩爾的機(jī)密。但是，他們的驗證確實證明了馬克斯的設(shè)計如她預(yù)計的那樣奏效。

下一步是要掌握讓激光系統(tǒng)在一臺真正的天文望遠(yuǎn)鏡上發(fā)揮作用所需的復(fù)雜的光學(xué)與機(jī)械工程技術(shù)。上世紀(jì)90年代中期，馬克斯與同事在UCO位于圣何塞的利克天文臺部署的原型機(jī)最終顯示，至少在波長較長時，該系統(tǒng)能讓天文臺的3米望遠(yuǎn)鏡達(dá)到光的波本質(zhì)所允許的最高分辨率。

然而，盡管如此，這也沒能說服天文學(xué)家們熱忱地使用這項技術(shù)。當(dāng)時，人們認(rèn)為激光導(dǎo)星“如此復(fù)雜，永遠(yuǎn)無法與其他天文學(xué)儀器一起運(yùn)轉(zhuǎn)?！瘪R克斯的一名同事康妮·洛克西（Connie Rockosi）說道。于是，馬克斯認(rèn)定這項技術(shù)需要有“一個實踐社團(tuán)”——一個中心之家，使用者能在那兒學(xué)習(xí)如何建造他們的激光導(dǎo)星設(shè)施。這個理念最終成為了“自適應(yīng)光學(xué)中心”。該中心獲得了美國國家科學(xué)基金會（NSF）總共500萬美元、為期10年的撥款，于1999年在圣克魯茲校區(qū)開放，馬克斯最終擔(dān)任了中心的主管。馬克斯說，等到2010年撥款結(jié)束，中心不得不關(guān)門時，它已經(jīng)從幾個人增長到了將近100人。

這招達(dá)成了最初的目的。激光輔助的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)必須按照每臺望遠(yuǎn)鏡的具體情況而建造，目前仍然成本高昂，每一套的價格達(dá)到數(shù)百萬美元。但是天文學(xué)家們——其中許多人在馬克斯的自適應(yīng)光學(xué)中心接受了培訓(xùn)——如今已經(jīng)針對每臺光學(xué)望遠(yuǎn)鏡而改進(jìn)了技術(shù)，使得技術(shù)用得其所。幾乎所有目前排名為全球最大望遠(yuǎn)鏡的旗艦望遠(yuǎn)鏡都包括在內(nèi)，從冒納凱阿山上的兩臺凱克10米望遠(yuǎn)鏡到智利構(gòu)成“歐洲特大望遠(yuǎn)鏡”的四臺相同的8.2米口徑望遠(yuǎn)鏡，無一例外。

優(yōu)良的分辨率

望遠(yuǎn)鏡越大，從自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)上獲得的優(yōu)勢也就越大。在1微米波長（該波長位于光譜的紅外線區(qū)段，對天文學(xué)研究特別有用），哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的2.4米口徑鏡片能生成0.11角秒分辨率的影像。在那一波長下，有了激光導(dǎo)星的助力，利克天文臺的3米望遠(yuǎn)鏡能有更好的表現(xiàn)：0.08角秒。但是像位于智利的“歐洲特大望遠(yuǎn)鏡”的8米望遠(yuǎn)鏡能把分辨率進(jìn)一步提高到0.03角秒——幾乎比哈勃望遠(yuǎn)鏡好了四倍。

這種視覺敏銳度令天文學(xué)家能夠追蹤環(huán)繞銀河中心黑洞運(yùn)行的恒星，獲得那些環(huán)繞其他恒星運(yùn)行的系外行星的影像，觀察那些被稱作褐矮星的常見低質(zhì)量恒星，進(jìn)行其他許多曾經(jīng)不可能實現(xiàn)的研究。位于亞利桑那州圖森的美國國家光學(xué)天文臺臺長大衛(wèi)·席爾瓦（David Silva）說，在這些領(lǐng)域沒有自適應(yīng)光學(xué)的話，“我們不可能從地面取得任何進(jìn)展?！?/p>

不過，受到自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)最大沖擊的，將會是在那些目前處在開發(fā)中的20米至40米口徑望遠(yuǎn)鏡：位于智利的歐洲特大望遠(yuǎn)鏡和巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡，冒納凱阿山上的TMT。這種巨型望遠(yuǎn)鏡能收集到足夠的光線來研究一些遙遠(yuǎn)、模糊的對象，譬如宇宙大爆炸后形成的第一批星系——但是假如它們的分辨率只有1角秒，就對不起建造它們的數(shù)十億美元的花費了。

不幸的是，正是因為高昂的花費，所以全球僅有三臺這種巨型望遠(yuǎn)鏡——這反過來又代表僅有一小部分天文學(xué)家會有機(jī)會使用它們。同時，與那些大型項目無關(guān)的研究機(jī)構(gòu)內(nèi)的“貧困”天文學(xué)家正在失去使用3米和4米望遠(yuǎn)鏡的機(jī)會——雖然這些較小的望遠(yuǎn)鏡常常是大范圍巡天觀測、對于相對較近對象的目標(biāo)觀察時的理想儀器。由于無增長的預(yù)算，以及對于智利ALMA射電望遠(yuǎn)鏡之類大型項目的投資，NSF已經(jīng)撤回了對3米和4米級別光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的資助。“對于一般的天文學(xué)家來說，越來越難獲得使用望遠(yuǎn)鏡的時間?！盢SF的天文學(xué)項目官員理查德·巴伐尼斯（Richard Barvainis）說，“這正在變成嚴(yán)重的問題?！?/p>

UCO自身也面臨著資金危機(jī)，馬克斯如今管理的這家機(jī)構(gòu)簡直就是她助力創(chuàng)作出的局面的完美縮影。2013年9月，加利福尼亞大學(xué)教務(wù)長艾梅·多爾（Aimée Dorr）宣布說，大學(xué)對利克天文臺的資助會在五年內(nèi)終止，原因包括TMT的建設(shè)花費，兩臺凱克望遠(yuǎn)鏡的維護(hù)費用，以及UCO不斷下降的預(yù)算（在過去的十年里下降了一半）。天文學(xué)社群的回應(yīng)是猛烈的抗議。他們堅持認(rèn)為從1888年開始運(yùn)行的利克天文臺仍然有用，是新儀器的試驗臺，也是研究生的訓(xùn)練基地。

于是，2014年秋，馬克斯走進(jìn)多爾的辦公室，說“我們能做些什么來實現(xiàn)雙贏？”并隨后開始擔(dān)任UCO的臨時臺長。多爾愿意嘗試；她聲稱馬克斯不僅“可信、直率、坦誠、穩(wěn)健”，還能編制出至少一位前任臺長說不可能辦到的預(yù)算。在接下來的數(shù)個月內(nèi)，馬克斯理清了UCO復(fù)雜的合作關(guān)系與預(yù)算，尋找辦法騰挪各種資金，平息了抗議，讓大學(xué)恢復(fù)了對于利克天文臺的資助。

馬克斯的下一項工作重點是為利克天文臺和兩臺凱克望遠(yuǎn)鏡設(shè)計出一套周全的戰(zhàn)略方案。因為利克天文臺擁有自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，而且天文學(xué)家相對較易使用設(shè)施，它可以用來進(jìn)行數(shù)百至數(shù)千個對象的高精度巡天，譬如類星體研究。馬克斯說：“你可以逐一觀測，再把結(jié)果加在一起，就是一份數(shù)據(jù)量豐富的巡天成果了。”

馬克斯決定在加利福尼亞大學(xué)宣布UCO正式臺長人選時實施這套方案。新任臺長也許是馬克斯本人——她已經(jīng)申請了這個職位——但假如不是，馬克斯說她會恢復(fù)原先的身份，一如既往地做一名天文學(xué)家兼工程師兼社團(tuán)建設(shè)者。同樣，她也在研究多激光自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，期望能做到糾正大氣層導(dǎo)致的畸變，又拓寬望遠(yuǎn)鏡視界。她還在培訓(xùn)一批特別的研究生——她說這些研究生“既熟悉儀器，又洞悉天文學(xué)”。

正是這種廣博的才能使得克萊爾·馬克斯實現(xiàn)了成就，安德烈婭·蓋說：“一名走尋常路的天文學(xué)家永遠(yuǎn)做不了她完成的事。”

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：彥隱]