地球有一个阴森森的“钠辉光”而天文学家用它来成像恒星

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地球有一个阴森森的“钠辉光”而天文学家用它来成像恒星
在我们的大气层中的气流限制巨型望远镜的分辨能力，但计算机和人造恒星能削尖这种模糊。
HARD SCIENCE — FEBRUARY 3, 2023
Tom Hartsfield


Credit: G. Hüdepohl / atacamaphoto.com / ESO
关键要点
在我们的大气层中的气流限制大型地面望远镜的分辨能力。
激光能在地球表面上空约90公里的钠层创造出人造的“引导星”。
地面望远镜用自适应光学能分析来自这些引导星的光，这然后允许几乎无限的分辨率和美丽的宇宙图像。
在地球表面上的巨型望远镜需要自适应光学（AO）（有关这个主题的简要介绍请参阅我们的上一篇文章）。它们的巨大弯曲的镜子收集大量被穿过大气层传递模糊的光。世界级的300英寸到400英寸的望远镜如凯克、斯巴鲁、格兰卡纳里亚斯望远镜、非常大望远镜和即将到来的大麦哲伦望远镜都使用自适应光学。这些系统实时分析望远镜的图像，然后主动的翘曲它们的镜子来抵消它的模糊。
控制这些系统的计算机不得不发现一个不被扭曲的参考点，相对它来比较模糊的图像。但怎样呢？答案在于我们能用我们的肉眼看的星星的闪烁，因为在每一个闪烁后面，略微模糊的斑点是一个近乎完美的静态的光源。
地球的钠层
天文学家能创造和测量一个有精确的已知形状和位置的闪烁的人造“导星”。他们通过利用在我们上层大气中自然的存在的钠完成这个。这个薄层本身就是一件迷人的东西。钠很可能被流星“消融”形成------换句话说，字面上太空岩石随它们穿过地球的大气层被炸掉的表面。关于驱动它的细节有一些争论。不管怎样，它在那里是可观测的。从国际空间站拍摄的美丽照片中，钠层的幽灵般橙色辉光特征能被看到。


Credit: NASA
钠原子发射------因此也能吸收------接近589纳米波长的光，这个我们看为是一种黄橙色。来创造一颗人造恒星，望远镜照射在这个同样波长上的激光进入夜空。集中的光束穿过几乎透明的大气层几乎不受干扰直到到达钠层为止，中心在海拔约90公里（56英里）高处并约20公里（12英里）厚。它包含许多的钠原子------每立方米几十亿个原子------尽管甚至在这个高度，它们也只占稀薄空气的一小部分。


Credit: USAF
在这一层内，钠原子将周期的吸收沿着光束的激光光子，然后像一颗恒星一样在各个方向中重新发射它们。这在上层大气层中创造一个辉光的圆筒。从地面上看，在这个非常细圆筒的底部直向上，它看起来就像一颗微小的圆形恒星一样。（因为在大气层中一个长圆柱体当从侧面看就像一条线一样，解决方案是将激光安装在瞄准镜的中心）。
行动中的自适应光学
而来自一颗遥远恒星的光以平行线下降到地面，但来自人工引导恒星的光线以略微圆锥形的方式扩散，因此引导星的图像被以一种反圆锥形延伸的方式调整望远镜清理起来。所得到的图像几乎是静态的------在时间中是不变的------以便进一步调整是小的。一旦进行了这种基本调整，自适应光学系统就准备好运行并随时间移动反动态的大气层的湍流。
钠层是足够高来自引导星发射的光必须通过大气层中几乎所有的原子和分子。口袋、渐变和风转向它成畸变。由主反射镜收集的模糊的人工星光被一个自适应光学系统主动翘曲并弯曲的二次反射镜反射掉。


Credit: UCLA Galactic Center Group, W. M. Keck Observatory Laser Team. Animation created by Prof. Ghez research team at UCLA.
来自二次镜的一小部分光被分离出来，而它的畸变被一台计算机实时分析。计算机以一个每秒超过1000次的速度（或1 kHz表示为频率单位）相对引导星的理想形状比较测量的引导星图像并分析按照模型或区域理论（也解释在我们之前的自适应光学故事）的表观畸变。计算机以相同的约1 kHz的速率做出微小的翘曲调整来保持引导星的形状完美的正确。这个消除了望远镜的导星附近天空的图像模糊。
用大气层钠导星校正畸变，地面望远镜能走到几乎无限的分辨率。通过克服大气层的限制它们现在仅被镜子大小约束，随之而来的实际问题是资金，建造和照顾令人难以置信的是不可能的光滑的大镜子。以这种方式------对有效到达地球表面的光的波长并且不与地球源混淆------有自适应光学的地面望远镜可能会消除太空望远镜的需要。
https://bigthink.com/hard-science/earth-sodium-glow-adaptive-optics/