天文学：激光聚焦

姚人杰/编译

天文学：激光聚焦

姚人杰/编译

克莱尔·马克斯站在加利福尼亚利克天文台的3米口径望远镜旁

●通过把激光照向天空，克莱尔·马克斯让目前的——以及未来的——望远镜的性能大为改观。

在晴空万里、不见月光的夜里，全球的大多数大型光学望远镜会先向天空发射一道金色的激光光束，接着再开始整晚的天文观测。

克莱尔·马克斯（Claire Max）并不愿将这种天文学灯光秀归为自己的功劳，尽管激光的广泛应用正是她三十年间完善与推进激光导星运动的明证。今年1月16日，美国天文学会向她颁发了2015年度天文仪器奖，认可了她的贡献。马克斯是加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的天文学家，对于她来说，自我吹捧是与实事求是背离的。克莱尔·马克斯是个实事求是的人；就连她的说话方式也是谨慎之至的，仿佛有某个人一定要为她说的每个字作担保似的。她的激情只会用在技术上。“我仍然为技术而入迷。”她一边说，一边展示一张张望远镜的照片。在照片里，激光与细光束闪耀，如尺子一般笔直地照向天空。

马克斯解释说，激光是望远镜自适应光学系统的关键要素，所谓的自适应光学能纠正大气湍流的影响。没有自适应光学系统的话，星辰与星系在高放大率下看起来像在舞动，光线的底端会见到畸变与朦胧，如同宝石一般。有了自适应光学系统，星辰与星系就会稳定又清晰，允许地基望远镜在日常中匹敌甚至超过美国宇航局（NASA）的哈勃空间望远镜获得的清晰度。这一性能使得当前一代的望远镜能完成一系列高分辨率的研究，研究的目标包括外太阳系里的卫星，银河中央的恒星。如今，它正使得人类能够建造出测量直径在20米至40米的望远镜，镜面直径是现存的任何一台望远镜的4倍，而聚光能力增长到了16倍。

马克斯从早年就参与了这项技术的发展：最早是验证了激光辅助下的自适应光学，接着是建造了原型机，然后创建了一家研究中心，把这项技术传播至全球各地的望远镜。

然而，马克斯最了不起的成就也变成了她最大的挑战。2014年10月，68岁的马克斯同意担任加利福尼亚大学天文台（UCO）的临时台长，其他天文学家到她这把年纪时也许就盼着退休了。UCO这一机构负责加利福尼亚大学——美国境内最大的州立大学系统之一——拥有的所有天文学设施。处在台长的位置上（无论是不是“临时”的），马克斯发现自己行进在天文学领域专业上与文化上的混乱中，而这一切都是下一代巨型望远镜的巨大花费引发的。

共有三台下一代巨型望远镜处在不同的计划和建造阶段，每一台都需要花费大约10亿美元。马克斯说，这些花费让望远镜的所有者和赞助者陷入困境——其中也包括了UCO，他们是去年在夏威夷冒纳凯阿山上开始建造的“30米望远镜（TMT）”项目的主要合作方。他们该如何为名下所有较旧较小的望远镜支付开销？所有者应不应该屈服于财政压力，关闭若干设施——尽管那些望远镜仍然是某些科研工作者不可或缺的研究设施，也是年轻天文学家的训练场？或者，他们应不应该努力寻找崭新的方式，让所有设施继续运行下去？

马克斯感觉应该奋力争取——利用她独一无二的热情、执着和决心。到目前为止，她节节胜利。加利福尼亚大学洛杉矶分校的天文学家安德烈娅·盖（Andrea Ghez）说，在30年追求自适应光学系统的说服及共识构建过程中，马克斯已经获得了一种可靠的本能，她能够在工程师、学者、资助方的官员、大学行政人员及所有其他在望远镜决策上拥有话语权的人士之间建立联系。

安德烈娅·盖表示，其中有些参与方有权有势——他们是“餐桌旁的大猩猩”，想把你当成午餐吃掉。她还说，为了对付这些人，需要马克斯之类的人：“懂计谋的大猩猩”。

第一道光

上世纪50年代初，马克斯第一次透过望远镜看了夜空，当时这名曼哈顿土生土长的居民年仅8岁。“正是那个时刻，”她说，“我现在闭上眼睛，仍然能看见月球上的山脉。于是，我成为了一名天文学狂热者。”

这股激情首先引领她进入新泽西州的普林斯顿大学求学，她在那儿取得了天文学博士学位；接着接受了加利福尼亚大学伯克利分校的博士后职位；随后成为加利福尼亚劳伦斯-利福摩尔国家实验室的职员；到了1983年，她成为Jason的成员。Jason是一群时常开会，在国家安全方面给予技术建议的科学家，常常为美国国防部效力。

马克斯在Jason团体内参与的首项研究是美国空军促成的，空军希望能辨认出潜在的敌方卫星——对于这项任务而言，正如对于天文学家来说一样，大气层就是巨大的屏障。就算遇上晴朗的夜空，有着一台优异的望远镜助力，湍流也会将角直径在1角秒以下的细节给抹去——不如抬头用望远镜观察一下哈勃望远镜，它的尺寸和高度与间谍卫星类似，只看得出它是个圆柱体，其他情况看不出多少。

天文学家早已提出一种可能的解决办法：用一面可变形的镜片来反射进入望远镜的光线，而镜片在电脑控制下变形。理论上，镜片引发的畸变会刚好抵消大气层引起的畸变，从而把影像恢复到接近完美的水准。但是，首先得要测量畸变，较好的办法是观察大气层对于目标附近的明亮“导星”的影响。而五角大楼感兴趣的那些快速移动目标附近并不总是有明亮的星星。

因此，美国空军才向Jason团体请求帮助——马克斯与同事们在一份机密报告里提供了援助。他们说，只需沿着望远镜的光轴向天空发射一道激光，假如激光被调至正确的波长，光束随后会接触到大约90公里高空的大气层里悬浮的一层天然出现的钠原子，并导致钠原子发出荧光，生成一个从地面上可见的明黄色亮点——在效果上，好比是夜空里一颗到处都可获取的导星（见图示“让星辰不再闪烁”）。

然而，马克斯想得更加深刻。她知道钠激光导星对于天文学家也是价值无可限量的，便构思出了一项美国空军并未要求的附加设计，该设计更加适合研究需求。“我觉得这很酷。”她说道。

遗憾的是，那份设计与其他钠激光导星技术一起被定为机密文件。于是，马克斯与空军内部一些同情她的科学家（他们知道该从什么渠道与军方沟通）一道，花费了七年时间游说军方将文件解密。他们的游说在1991年5月终于成功，空军科学家罗伯特·富盖特（Robert Fugate）被允许在美国天文学会在华盛顿州西雅图举办的一次公开会议上描述人工导星技术。天文学界的反应参差不齐：有些天文学家早已在研究类似的技术，但没有充足资金将研究深入，他们得知军方早已秘密建造了激光导星设施后十分光火。但大多数研究者都对于他们将获得不再模糊的太空影像的前景感到兴奋。“现场一片喧嚣，”富盖特回忆说，与会人员“简直抛出了百万个问题。”

自适应光学大显神通

然而，尽管天文学家们热情满满，激光导星系统仍然有着极高的技术要求，成本昂贵，所需的技术开发也是大学所无法提供的。“大家写了相关的论文，”马克斯说，“但他们没法把技术用到望远镜上。”于是，文件解密后不久，马克斯意识到天文学家们需要原理验证。如何做这件事的念头来自于她与同事赫布·弗里德曼（Herb Friedman）共进午餐时。“我俩望着彼此，”她说，“接着我俩说道，‘活见鬼，我们在利福摩尔国家实验室，做的就是激光器。’”

确实，实验室内有一台巨大的地下激光器，通常是用来分离同位素的，但可以调整至钠原子的波长。所以，马克斯与弗里德曼安排从激光器隧道顶部移除一块进出口盖，再安装上一面反射镜，把水平发射的激光通过洞口反射进天空。接着，他们在光束旁搭起一台小型望远镜，寻找人工导星，测量大气层畸变值。现场场景在黑暗中看来一定很怪异，马克斯说道。遮盖望远镜的帐篷因为偏离的激光而发出黄光；激光光束本身可以望至十公里远，乃至更远，当地有名妇女不断打电话报警，报告说有不明飞行物在窥探利福摩尔的机密。但是，他们的验证确实证明了马克斯的设计如她预计的那样奏效。

下一步是要掌握让激光系统在一台真正的天文望远镜上发挥作用所需的复杂的光学与机械工程技术。上世纪90年代中期，马克斯与同事在UCO位于圣何塞的利克天文台部署的原型机最终显示，至少在波长较长时，该系统能让天文台的3米望远镜达到光的波本质所允许的最高分辨率。

然而，尽管如此，这也没能说服天文学家们热忱地使用这项技术。当时，人们认为激光导星“如此复杂，永远无法与其他天文学仪器一起运转。”马克斯的一名同事康妮·洛克西（Connie Rockosi）说道。于是，马克斯认定这项技术需要有“一个实践社团”——一个中心之家，使用者能在那儿学习如何建造他们的激光导星设施。这个理念最终成为了“自适应光学中心”。该中心获得了美国国家科学基金会（NSF）总共500万美元、为期10年的拨款，于1999年在圣克鲁兹校区开放，马克斯最终担任了中心的主管。马克斯说，等到2010年拨款结束，中心不得不关门时，它已经从几个人增长到了将近100人。

这招达成了最初的目的。激光辅助的自适应光学系统必须按照每台望远镜的具体情况而建造，目前仍然成本高昂，每一套的价格达到数百万美元。但是天文学家们——其中许多人在马克斯的自适应光学中心接受了培训——如今已经针对每台光学望远镜而改进了技术，使得技术用得其所。几乎所有目前排名为全球最大望远镜的旗舰望远镜都包括在内，从冒纳凯阿山上的两台凯克10米望远镜到智利构成“欧洲特大望远镜”的四台相同的8.2米口径望远镜，无一例外。

优良的分辨率

望远镜越大，从自适应光学系统上获得的优势也就越大。在1微米波长（该波长位于光谱的红外线区段，对天文学研究特别有用），哈勃空间望远镜的2.4米口径镜片能生成0.11角秒分辨率的影像。在那一波长下，有了激光导星的助力，利克天文台的3米望远镜能有更好的表现：0.08角秒。但是像位于智利的“欧洲特大望远镜”的8米望远镜能把分辨率进一步提高到0.03角秒——几乎比哈勃望远镜好了四倍。

这种视觉敏锐度令天文学家能够追踪环绕银河中心黑洞运行的恒星，获得那些环绕其他恒星运行的系外行星的影像，观察那些被称作褐矮星的常见低质量恒星，进行其他许多曾经不可能实现的研究。位于亚利桑那州图森的美国国家光学天文台台长大卫·席尔瓦（David Silva）说，在这些领域没有自适应光学的话，“我们不可能从地面取得任何进展。”

不过，受到自适应光学系统最大冲击的，将会是在那些目前处在开发中的20米至40米口径望远镜：位于智利的欧洲特大望远镜和巨型麦哲伦望远镜，冒纳凯阿山上的TMT。这种巨型望远镜能收集到足够的光线来研究一些遥远、模糊的对象，譬如宇宙大爆炸后形成的第一批星系——但是假如它们的分辨率只有1角秒，就对不起建造它们的数十亿美元的花费了。

不幸的是，正是因为高昂的花费，所以全球仅有三台这种巨型望远镜——这反过来又代表仅有一小部分天文学家会有机会使用它们。同时，与那些大型项目无关的研究机构内的“贫困”天文学家正在失去使用3米和4米望远镜的机会——虽然这些较小的望远镜常常是大范围巡天观测、对于相对较近对象的目标观察时的理想仪器。由于无增长的预算，以及对于智利ALMA射电望远镜之类大型项目的投资，NSF已经撤回了对3米和4米级别光学望远镜的资助。“对于一般的天文学家来说，越来越难获得使用望远镜的时间。”NSF的天文学项目官员理查德·巴伐尼斯（Richard Barvainis）说，“这正在变成严重的问题。”

UCO自身也面临着资金危机，马克斯如今管理的这家机构简直就是她助力创作出的局面的完美缩影。2013年9月，加利福尼亚大学教务长艾梅·多尔（Aimée Dorr）宣布说，大学对利克天文台的资助会在五年内终止，原因包括TMT的建设花费，两台凯克望远镜的维护费用，以及UCO不断下降的预算（在过去的十年里下降了一半）。天文学社群的回应是猛烈的抗议。他们坚持认为从1888年开始运行的利克天文台仍然有用，是新仪器的试验台，也是研究生的训练基地。

于是，2014年秋，马克斯走进多尔的办公室，说“我们能做些什么来实现双赢？”并随后开始担任UCO的临时台长。多尔愿意尝试；她声称马克斯不仅“可信、直率、坦诚、稳健”，还能编制出至少一位前任台长说不可能办到的预算。在接下来的数个月内，马克斯理清了UCO复杂的合作关系与预算，寻找办法腾挪各种资金，平息了抗议，让大学恢复了对于利克天文台的资助。

马克斯的下一项工作重点是为利克天文台和两台凯克望远镜设计出一套周全的战略方案。因为利克天文台拥有自适应光学系统，而且天文学家相对较易使用设施，它可以用来进行数百至数千个对象的高精度巡天，譬如类星体研究。马克斯说：“你可以逐一观测，再把结果加在一起，就是一份数据量丰富的巡天成果了。”

马克斯决定在加利福尼亚大学宣布UCO正式台长人选时实施这套方案。新任台长也许是马克斯本人——她已经申请了这个职位——但假如不是，马克斯说她会恢复原先的身份，一如既往地做一名天文学家兼工程师兼社团建设者。同样，她也在研究多激光自适应光学系统，期望能做到纠正大气层导致的畸变，又拓宽望远镜视界。她还在培训一批特别的研究生——她说这些研究生“既熟悉仪器，又洞悉天文学”。

正是这种广博的才能使得克莱尔·马克斯实现了成就，安德烈娅·盖说：“一名走寻常路的天文学家永远做不了她完成的事。”

[资料来源：Nature][责任编辑：彦隐]