1609年，天文学家伽利略制成了口径4.4cm的望远镜，并用它来观测月亮、太阳、恒星和银河系。这是世界上第一台有科研产出的天文望远镜，伽利略用它发现了木星的卫星，并测定了太阳黑子周期。
伽利略正在教别人怎么使用望远镜（图源：Wikipedia）
工欲善其事，必先利其器。由于望远镜在天文学研究中起着举足轻重的作用，那如何加大清晰度，自然成为了科学家们需要攻克的难题。
(相关资料图)
想要看得更清楚？麻烦加大口径
随着对望远镜光学原理的了解，科学家们总结出了影响望远镜分辨率的主要因素：口径。望远镜的口径越大，收集光的能力越强，能够捕获的信息就越多。
以物理学家瑞利（Lord Rayleigh）命名的公式清楚地表达了光学系统孔径与分辨本领的关系
公式看不懂没关系，它想说的其实就是，望远镜的口径越大，望远镜的分辨力越高，能够观察到的细节也就越多。
图源：作者自制
随着技术的进步，天文界制造地望远镜口径也越来越大。1789年，英籍德国人威廉-赫歇尔制成了口径为1.22米的反射式望远镜。1975年，苏联建造的六米口径反射式望远镜BTA-6正式亮相，它是当时世界上最大的望远镜。
但在实际操作中，BTA-6的观察结果和一米口径望远镜的观察结果相差无几。尽管BTA-6拥有巨大的口径，大气湍流仍然牢牢限制着它的观测能力。BTA-6一年只有不到一半的夜晚能够进行观测，而且分辨力远远达不到瑞利公式的计算结果。
干扰观测的大气湍流
夜晚眨眼睛的星星、炎热夏天道路远方扭曲的汽车、飞机发动机后方的景象、都是大气湍流造成的。在大气湍流的作用下，物体看上去似乎被扭曲了。大气湍流导致光线在穿过大气时发生扭曲，使得望远镜观察到的图像质量大打折扣。
大气湍流导致望远镜观察到的月球图像产生变形（图源：Wikipedia）
起初，为了尽量减小大气湍流带来的影响，科学家们选择在大气条件比较好的地方建造望远镜。BAT-6在建造前，十六支探险队被派往苏联的各个地区，最终选址在海拔2070米的北高加索山脉。目前，世界上比较重要的天文台几乎都位于夏威夷、加那利群岛等大气条件比较好的地方。
尽管如此，大气湍流对观测带来困扰仍然是无法避免的。饱受折磨的科学家们心想：大气湍流不是把光线给弄扭曲了吗？那能不能把光再给“扭”回来呢？在这个思想的启发下，自适应光学利用技术应运而生。
扭曲镜面的自适应光学
早在1953年，科学家就提出了自适应光学的概念，但在概念提出后数十年才真正获得突破。自适应光学的核心是，可变形的镜面，以及探测光波扭曲情况的夏克-哈特曼波前传感器。利用可变形的镜面来矫正大气湍流导致的畸变，从而大大提高光学系统的性能。
（图源：作者自制）
可是镜子要如何变形？其中一种思路是，制造一块非常薄的镜面，在镜面背后施加压力，促使镜面变形。
比如，欧航局的VLT巡天望远镜里边的变形镜系统就是这样的：
上边密密麻麻的小孔会安装一个个的小驱动器，然后再覆盖上一片非常薄的镜片，驱动器会带动镜片发生形变。
覆盖在驱动器上的超薄镜片（图源：欧航局官网）
装备自适应光学系统的望远镜工作时，望远镜会朝着天空发射激光。这束激光的作用是测量大气湍流带来了多少畸变，测得的数据是变形镜变形的参考依据。变形镜在一秒内可以调整上百次形变来应对不断变化的大气湍流。
VLT天文望远镜获得的图像。左边是开启了自适应光学系统后获得的图像，右侧是未开启自适应光学系统后获得的图像。
（图源：欧航局官网）
解决了大气湍流这一难题后，天文界呈现出一番“做大做强，再创辉煌”的景象。已建成的大型望远镜有：
位于太平洋夏威夷岛上直径10米的凯克望远镜；
凯克望远镜（图源：Wikipedia）
位于西班牙拉帕尔玛岛上直径10.4米的加那利大型望远镜；
位于南非天文台直径11米的萨尔特望远镜。这几大望远镜之间堪称是诸神争霸，实力相当。
目前，计划建造还有直径30米的TMT望远镜，等效直径21.4米的巨型麦哲伦望远镜以及直径达42米的ELT望远镜。
ELT望远镜效果图（图源：欧航局官网）
自适应光学的出现，不仅对天文界做出了巨大的贡献，它在其他领域也得到了广泛的应用。
在医学成像设备上，自适应光学应用使我们能够获得更加清晰的人眼组织结构图像，推动了医学的进步；在人类未来最理想能量来源——核聚变领域，自适应激光光学能够产生质量更好的激光光束，为人类能源未来提出新可能。
有大气影响？那就上太空
除了自适应光学系统，还有一种更直接的消除大气湍流的方法——去太空。
哈勃望远镜是人类拥有的第一台在大气层外工作的望远镜，它的口径是2.4米。由于它位于大气层之上，不会受到大气湍流的影响。哈勃望远镜的出现成功弥补了地面观测的不足，帮助科学家解决了许多天文学上的基本问题，也让人类对天文物理有更多的认识。
前不久升空的詹姆斯-韦伯望远镜（JWST）是太空望远镜的新任王者。相比于哈勃望远镜2.4米的口径，它不仅口径更大（6.5米），而且还装备了自适应光学系统。
全球各大望远镜尺寸图集（图源：Wikipedia）
受制于火箭尺寸，JWST的镜面并不是一块整体，而是十八块六角型的镜片拼装组成。望远镜主镜面以折叠的方式进入太空，在太空中展开，利用自适应光学系统纠正不同镜片的位置偏差。为了避免太阳对观测的影响，JWST还特意跑到150万千米远处的第二拉格朗日点去进行观测。
在建的太空望远镜中，还有中国科学院长春光机所设计制造的巡天空间望远镜。预计在2024年，巡天空间望远镜将发射升空并与天宫号空间站共轨运行。
中国科学家们还在研究在轨制造并组装望远镜的方案，弥补火箭装载能力有限的不足。也许不久以后，我们就会拥有在太空中工作的30米直径太空望远镜了。
大型天文望远镜堪称人类智慧与现代科技的集大成之作。人类对太空的不舍追寻，推动了天文望远镜技术的不断进步。而人类对宇宙的探索，也将一直进行下去。
参考文献：
[1]https://www.tmt.org/blog/tmt20180419
[2]https://www.eso.org/public/
[3]姜文汉, Jiang, Wenhan,等. 自适应光学发展综述[J]. 光电工程, 2018, 45(3):15.
[4] Angeli G Z , Dierickx P , Neill D , et al. Overview of the LSST active optics system[C]// Modeling, Systems Engineering, & Project Management for Astronomy VI. Modeling, Systems Engineering, and Project Management for Astronomy VI, 2014:91500G.
[5] Ellerbroek B L , Gilles L , Vogel C R . A Computationally Efficient Wavefront Reconstructor for Simulation of Multi-Conjugate Adaptive Optics on Giant Telescopes[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2003.
[6]天文望远镜简史 - jjjastronomy的文章 - 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/33304114
出品：科普中国
作者：海里的咸鱼
监制：中国科普博览
责任编辑：Rex_02
