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张乃千:激光导星开启人类“造星术”

2017-07-25 15:12:29 中国社会科学网 张乃千

引来一束强激光束激发大气中的钠原子,就能在遥远的空中看到发出共振荧光的星星,这不是科幻大片中的桥段,而是人类借助激光导星“修炼”成的“造星术”。不久前,欧洲南方天文台旗下的帕拉纳天文台就曾使用四道强大的激光光束刺破宁静的夜空,在天空中造出了一颗明亮的人造星星。通过这种方式为未来天文观测研究提供重要参数的就是激光导星。

太空观景“明目镜”应运而生

激光导星是帮助大型望远镜修正误差、看透湍动的大气层并目睹清晰太空景象的“明目镜”,主要包括激光瑞利导星和激光钠导星两种,其中尤其以激光钠导星得到了广泛的研究和应用。激光钠导星主要利用强激光激发海拔高度约90公里电离层内的钠原子,进而利用钠原子发出的共振荧光形成星星。激光钠导星生成高度高、亮度好,可用于自适应光学系统中大气湍流的光学矫正,在空间目标识别、空间激光通信和激光武器等领域都有着重要的应用前景。

激光导星的出现源自光学应用的迫切需求。诞生于400多年前的光学望远镜,目前已成为人类探索宇宙奥秘最为重要的科学工具之一。天文观测要求望远镜不断提高分辨率和灵敏度,因此望远镜的口径也是越做越大,但这并不意味着大“肚量”的望远镜就能看得更清晰。大型地基望远镜在对天观测时,大气扰动会使星光出现波前畸变,直接导致望远镜的实际分辨率大幅度下降。解决这一问题的方法就是通过发展自适应光学技术修正大气带来的波前畸变,使望远镜达到近衍射极限分辨率这一“视力极限”。

因此,自20世纪80年代以来,人类的“观天巨眼”进入到自适应光学望远镜时代。要想实现望远镜的自适应,就必须以观测目标附近的亮星作为导引星,来修正由波前畸变造成的成像误差。早期使用的导引星多为诸如天狼星等自然亮星,但并非每时每刻都能找到足够明亮的导引星体,一个人类自造星象的大胆设想就此形成。激光钠导星就是利用强激光去激发90公里高空的钠原子层,迫使钠原子发光形成人造导引星。这类人造导引星的优势就在于它可放置在任意一个望远镜想观测的位置,进一步扩大了自适应光学望远镜的观测范围。同时,反射回来的激光不会像宇宙星体发出的光线那样易受大气的扰动,只要使用可变形镜等光学设备就可保证天文成像的稳定,获得更清晰的观测图像。

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