自适应光学技术拓展应用

对于天文学家来说，这是一个神奇的时刻：你盯着监视器，一个模糊的宇宙物体图像变得清晰起来，展现出新的细节。我们称之为“闭环”，指的是自适应光学环路，这是一种使望远镜能够校正大气湍流引起的模糊的工具。自适应光学本质上是消除星星的闪烁，抵消我们和太空之间的空气，将模糊的图像变成清晰的图像。

去年的一天晚上，我们在澳大利亚国立大学的团队正在为一个新的成像系统闭环，该系统旨在分辨太空碎片的细节。我们坐在位于堪培拉首都郊外斯特罗姆洛山天文台的控制室里，选择了一颗气象卫星进行首次测试。这是一个容易的目标：它庞大的主体和太阳能电池板非常容易辨认，为测试我们系统的性能提供了一个很好的方法。

对于我们中的一些人来说，这是第一次使用望远镜观测恒星、星系或其他宇宙现象以外的东西。这颗卫星代表着环绕我们星球的数千个人造物体之一，一群航天器——有些是活跃的，大多数是不活跃的——对近地轨道日益拥挤构成越来越大的风险。我们的测试是构建系统以解决太空碎片问题并为未来使用保护这些轨道通道的努力的一部分。这是我们使用自适应光学的几种新方法之一，自适应光学传统上用于天文观测，以实现不同的目标。在完善这项技术三十多年后，天文学家意识到他们可以将自己的专业知识应用于任何需要在太空和地面之间发送或接收光子的应用。

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与大气层作斗争

地球和宇宙其余部分之间的气体层使我们得以生存，但它也 постоянно 改变着任何穿过它的光子的路径。罪魁祸首是不同温度空气混合引起的大气湍流。当光穿过不同的介质时会弯曲或折射，这就是为什么玻璃杯中的吸管在水下看起来比在水面上倾斜的角度不同的原因——当从吸管反射的光从水中进入空气时，它会改变方向。当光穿过不同温度的空气时，也会发生同样的事情。当光从暖空气传递到冷空气时，它会减速，路径也会改变。

这种效应是星星闪烁的原因，也是天文学家难以拍摄精确的天空图像的原因。我们用“视宁度”来量化大气湍流的影响，“视宁度”是一个参数，描述了通过地面望远镜看到的星星模糊点的角大小。大气湍流越剧烈，视宁度越差。在一个良好的地点，在高山上，湍流低，视宁度通常在 0.5 到 1 角秒之间，这意味着任何望远镜都将受到这个分辨率范围的限制。问题是现代望远镜能够实现远高于此的分辨率。从纯粹光学的角度来看，望远镜的分辨率由“衍射极限”决定，衍射极限与收集的光的波长成正比，与收集该光的望远镜的直径成反比。我们观察到的波长仅取决于我们天体目标的化学成分，因此这些波长无法改变。因此，建造能够分辨越来越小的物体的望远镜的唯一方法是增加它们的直径。例如，直径为两米的望远镜可以在光学波长中分辨出 0.05 角秒的物体（相当于分辨出 100 公里外的大硬币）。但即使是视宁度非常好的地点也会将这种分辨率降低 10 倍。

因此，很容易理解将望远镜送入太空，超出大气层范围的吸引力。但是，仍然有非常充分的理由在地面上建造望远镜。太空望远镜不能太大，因为火箭只能携带这么多重量。将人类送入太空进行维修和升级也很困难。目前正在建造的最大的太空望远镜是詹姆斯·韦伯太空望远镜，其主镜宽 6.5 米。在地面上，最大的望远镜镜面宽度超过 10 米；目前正在建造的极大望远镜的主镜将延伸 39 米。地面望远镜还可以在其整个生命周期内进行升级，始终接收最新一代的仪器。但是，为了充分利用这些望远镜，我们必须积极消除大气层的影响。

第一个自适应光学概念于 1950 年代初期提出，并于 1970 年代首次被美国军方使用，特别是用于从地面进行卫星成像。天文学家不得不等到 1990 年代才将该技术应用于他们的天文台。自适应光学依赖于三个关键组件。第一个是波前传感器，一种配备了一组光学器件的快速数字相机，用于绘制朝向望远镜的光波的扭曲形状。该传感器实时测量大气层造成的扭曲。由于测量必须跟上大气层的快速变化，因此它需要每秒进行数百到数千次新的映射。为了在如此短的曝光时间内获得足够的光子，波前传感器需要大气层上方明亮的光源。恒星本身很少足够明亮以满足此目的。但是天文学家是一群足智多谋的人——他们只是通过向上照射激光来创造自己的人造星。

这个参考光源——激光导星——是自适应光学系统的第二个关键组件。我们的大气层有一层钠原子，厚度为几公里，位于 90 公里的高度，远高于引起扭曲的湍流。科学家可以使用专门调谐的激光激发这些钠原子。高层大气中的钠原子吸收明亮的橙色激光（与许多城市中的钠路灯发出的颜色相同），然后重新发射它，产生发光的人造星。通过将激光器连接到望远镜的侧面并跟踪其运动，这个人造星始终对波前传感器可见。

现在我们可以持续跟踪波前的形状，我们需要校正其像差。这是系统的第三个主要组件的工作：可变形镜。该镜子由薄反射膜制成，下方是一系列致动器，这些机构推动和拉动膜以塑造反射光。每次波前传感器进行测量时，它都会将此信息发送到镜子，镜子会以补偿入射光中的扭曲的方式变形，从而有效地消除大气层引起的像差。大气层变化如此之快，以至于必须每毫秒左右进行一次校正。这是一个主要的机械和计算挑战。可变形镜硬件必须能够每秒进行数千次运动，并且必须与计算机和波前传感器配对，才能跟上这个速度。有多达几千个致动器，每个致动器将可变形镜表面移动几微米。以自校正的方式跟上这种持续更新过程就是我们所说的“闭环”。

尽管这项技术困难而复杂，但到目前为止，天文学家已经基本掌握了自适应光学技术，所有主要的 оптический 天文台都配备了这些系统。甚至还有用于不同类型观测的专用版本。“经典”自适应光学仅使用一个导星和一个可变形镜，这使得可以在相当有限的天空区域内进行大气湍流校正。更复杂的系统，例如多共轭自适应光学，使用多个导星和多个可变形镜来探测和校正望远镜上方更大体积的大气湍流。这种方法打开了比经典自适应光学可以实现的范围大 10 到 20 倍的无大气天文观测窗口——但价格要高得多。在其他情况下——例如，当天文学家想要研究单个目标（如系外行星）时——重要因素不是视场大小，而是接近完美的图像分辨率。在这种情况下，极端自适应光学系统使用更快、更高分辨率的波前传感器和镜子，通常与滤光片结合使用，以阻挡宿主恒星的光线，从而实现对围绕其运行的昏暗系外行星的成像。我们现在已经进入一个时代，期望任何望远镜都配备自己的自适应光学系统并不夸张，并且我们开始将这项技术的使用扩展到天文学之外。

太空垃圾问题

具有讽刺意味的是，这些新的应用之一帮助激发了自适应光学技术的早期发展：对近地轨道物体的观测。这个研究领域通常称为空间态势感知，包括对人造物体（卫星）以及自然物体（流星体）的观测和研究。一个合理的担忧是，发射的航天器数量不断增加也将增加它们之间碰撞的次数，从而导致更多的碎片。最坏的情况是，将发生级联效应，导致某些轨道完全无法使用。这种灾难性的，但相当有可能的可能性被称为凯斯勒综合征，以美国宇航局科学家唐纳德·J·凯斯勒的名字命名，他早在 1978 年就预测到了这种情况。

目前大约有 34,000 个人造物体（大于 10 厘米）在地球轨道上运行；其中只有约 10% 是活跃卫星。太空垃圾正在人类太空活动最频繁的高度累积，主要是在低地球轨道（距地面约 300 至 2,000 公里）和地球静止轨道（约 36,000 公里）。虽然我们可以使用雷达、光学望远镜和激光跟踪站跟踪较大的物体，但在 1 到 10 厘米范围内有数十万块碎片，还有 1 亿多块小于 1 厘米的碎片，它们的位置基本上是未知的。

2013 年电影《地心引力》中的碰撞场景残酷地说明了如果一块大型垃圾与例如国际空间站发生碰撞会发生什么。美国宇航局报告称，在过去 20 年中，空间站每年必须进行大约一次规避机动，以避开飞得太近的太空碎片，而且这种趋势正在增加，2020 年进行了三次机动。太空垃圾有能力严重扰乱我们目前的生活方式，而我们通常在不知不觉中，很大程度上依赖于太空技术。卫星对于手机、电视和互联网当然是必不可少的，但全球定位、银行、用于天气预报的地球观测、对自然灾害的紧急响应、交通运输以及许多其他对我们日常生活至关重要的活动也是如此。

许多项目旨在清理太空，但这些努力在技术上很困难，在政治上很复杂且成本高昂。与此同时，包括我们澳大利亚国立大学团队在内的一些科学家正在努力从地面开发缓解策略。从地球工作更容易且更经济实惠，并且可以依靠我们已经擅长的技术，例如自适应光学。

天文学自适应光学的应用方式与空间态势感知的应用方式之间存在各种细微的差异。卫星的速度取决于它们与地球的距离。例如，在距地面 400 公里的高度，国际空间站以每秒 8 公里的惊人速度飞行，并且每小时半完成一次完整轨道。这比太阳和恒星的视运动速度快得多，由于地球的自转，太阳和恒星需要一天才能绕过头顶。由于这种速度，当望远镜跟踪卫星时，大气湍流似乎变化得更快，自适应光学系统必须进行比跟踪天文物体快 10 到 20 倍的校正。我们还必须将导星激光束指向卫星稍前方，以探测卫星将在几毫秒后到达的大气层。

自适应光学可用于跟踪和拍摄低地球轨道中的卫星和碎片图像，并提高对低、中和地球静止轨道中物体的跟踪。我们跟踪空间物体的方式之一是光探测和测距，这项技术更广为人知的名称是激光雷达。我们将跟踪激光（不要与导星激光混淆）投射到空中以从卫星上反射回来，然后我们测量它返回到我们这里所需的时间，以确定航天器到地球的精确距离。在这种情况下，自适应光学系统通过在激光束穿过湍流大气层之前有意扭曲其光线来预先调节激光束。我们计算我们的扭曲以抵消湍流的影响，以便激光束在离开大气层后不受干扰。

除了跟踪太空碎片外，我们还希望能够使用这项技术将物体推离航线，如果它们正朝着碰撞方向前进。当激光光子的少量压力从碎片表面反射时，可以改变具有大面积质量比的物体的轨道。为了有效，我们需要自适应光学将激光束精确地聚焦在我们想要的位置。这种策略不会减少轨道上的碎片数量，但它可以帮助防止碎片与碎片之间的碰撞，并可能延迟灾难性凯斯勒情景的发生。最终，可以在全球范围内部署此类系统以帮助管理空间环境。

量子传输

空间安全不是唯一可以从自适应光学中受益的应用。加密通信对于我们在最近几十年中看到的许多技术进步至关重要。来自手机和手表的即付即用支付系统、网上银行和电子商务都依赖于高速安全通信技术。我们用于这些通信的加密基于难以解决的数学问题，并且只有在当前计算机无法足够快地解决这些问题以破解加密的情况下才有效。量子计算机可能很快就能够比传统计算机更快地解决这些问题，这威胁到了传统加密。密码学家不断发明新技术来保护数据，但没有人能够实现完全安全的加密协议。量子密码术旨在改变这种状况。

量子加密依赖于光的本质和量子物理定律。任何量子加密系统的支柱都是量子“密钥”。量子源可以提供源源不断的真随机数，以创建牢不可破的密钥，取代以可预测且因此可破译的方式制作的经典密钥。这些密钥可以以非常高的速率生成，我们只需要使用一次，从而提供可证明牢不可破的密码。

为了在没有光纤连接的情况下远距离发送量子加密通信，我们必须将激光从地面上的光学望远镜传输到卫星上的接收望远镜，然后再返回。发送这些信号的问题与我们使用激光推动一块太空碎片时面临的问题相同：大气层改变了传输路径。但是我们可以使用相同的自适应光学技术来发送和接收这些量子信号，从而大大增加我们可以传输的数据量。这种策略可能使光通信能够与大型射频卫星通信天线竞争，并具有量子兼容的优势。实现量子通信还有其他障碍——例如，需要在不干扰量子态的情况下存储和路由量子信息。但是研究人员正在积极应对这些挑战，我们希望最终创建一个全球量子安全网络。自适应光学是实现这个梦想的关键组成部分。

大气高速公路

突然之间，曾经专用于研究天体的技术可能帮助我们实现未来的一些伟大目标——保护空间安全和安全通信。这些新的应用反过来将推动自适应光学向前发展，也有利于天文学。

传统上，自适应光学仅适用于大型天文台，在这些天文台中，成本可以通过大的性能提升来证明是合理的。但是，即使在适度的孔径上，空间监测和通信也从自适应光学中获益匪浅。我们发现自己处于这样一种境地，即所有这些社区都可以互相帮助。一旦配备了自适应光学系统，未充分利用的望远镜可能会找到新的生命，而太空碎片监测器渴望获得更多的望远镜访问权限，以覆盖尽可能多的纬度和经度。对于未来的天文台，天文学家正在考虑在其望远镜和仪器中增加技术要求，使其与空间态势感知和通信等其他空间研究应用兼容。这不仅加强了他们的科学案例，还使他们能够获得新的资金来源，包括私营企业。

我们正在进入一个多学科时代，天空是一种共同资源。在我们锐化天空图像的同时，我们正在模糊所有使用望远镜作为主要工具的活动之间的界限。构建自适应光学系统的科学家和工程师现在正在扩大他们的合作圈，并将自己置于这种新动态的中心。

自适应光学也越来越多地在没有望远镜的情况下使用。自适应光学的一个重要且现在相当主流的用途是在医学成像和眼科中，以校正通过活体组织和眼睛成像引入的像差。其他用途包括用于工业激光工具的最佳激光聚焦，甚至反导弹军事激光。现在是探索自适应光学在太空和地球上的潜力的最激动人心的时刻。