原標(biāo)題：天文學(xué)的燈光秀

Max發(fā)現(xiàn)自己正行進于天文學(xué)領(lǐng)域?qū)I(yè)和文化觀念上的一片混亂之中，而這是由那些新一代“龐然大物”帶來的巨大成本引發(fā)的。

Claire Max站在利克天文臺的3米望遠(yuǎn)鏡旁邊 圖片來源：Laurie Hatch

在那些天氣晴朗的無月之夜，全球多數(shù)大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡通過向天空發(fā)射金色激光束開始夜晚的觀測。

　　對于這場天文學(xué)上的燈光秀，Claire Max并不喜歡居功自傲，盡管激光器的普遍應(yīng)用在某種程度上要歸功于她30年來堅持不懈的完善和推廣。出于對該項工作的認(rèn)可，美國天文學(xué)會日前將2015年度天文儀器獎頒發(fā)給Max。在這位加州大學(xué)天文學(xué)家看來，自我炫耀是一件沒有效能的事。Max總是表現(xiàn)得很專業(yè)，甚至連講話的方式都很小心。她的熱情都留給了激光技術(shù)研究。

　　混亂中艱難前行

　　Max解釋說，激光器是望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的一個關(guān)鍵部分。沒有自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，高倍鏡看到的恒星和星系會出現(xiàn)跳動、扭曲，并且變得模糊不清。相反，有了該系統(tǒng)，看到的恒星和星系會保持穩(wěn)定和清晰，使地面望遠(yuǎn)鏡獲得的清晰度通常能與美國宇航局的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡不相上下，甚至超過后者。這種能力使當(dāng)前的望遠(yuǎn)鏡得以開展針對一系列物體的高分辨率研究，包括從太陽系外的月亮到銀河系中心的恒星。而如今，它正助力建造直徑在20~40米、聚光能力達目前任何一臺望遠(yuǎn)鏡16倍的望遠(yuǎn)鏡。

　　Max從最早便參與了這個發(fā)展過程：從首個激光輔助自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的演示到建造原型，然后建立中心，將該技術(shù)應(yīng)用到全球望遠(yuǎn)鏡上。不過，Max最大的勝利也成為她最大的挑戰(zhàn)。去年10月，在其他天文學(xué)家或許正盼著退休的年紀(jì)，68歲的Max同意擔(dān)任加州大學(xué)天文臺（UCO）臨時臺長。處在這個位置上，無論臨時與否，Max發(fā)現(xiàn)自己正行進于天文學(xué)領(lǐng)域?qū)I(yè)和文化觀念上的一片混亂之中，而這是由那些新一代“龐然大物”帶來的巨大成本引發(fā)的。

　　目前，共有3臺這樣的望遠(yuǎn)鏡處在不同的計劃和建設(shè)階段，每臺均須花費約10億美元。Max表示，這些花費向望遠(yuǎn)鏡的所有者和資助者提出了很大的難題，其中包括自去年開始在夏威夷莫納克亞山頂建設(shè)的30米望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵合作方——UCO。他們?nèi)绾螢樗邢鄬^老、規(guī)模更小的望遠(yuǎn)鏡“買單”？所有者們是否應(yīng)屈服于經(jīng)濟壓力關(guān)閉這些望遠(yuǎn)鏡，盡管它們依舊是科研人員必不可少的主力設(shè)備和年輕天文學(xué)者的訓(xùn)練場？又或者他們應(yīng)當(dāng)努力尋找創(chuàng)造性的方式讓所有設(shè)備繼續(xù)運行下去？

　　Max的直覺是奮力爭取：利用她得天獨厚的集熱情和決心于一體的性格優(yōu)勢。就目前而言，Max正贏得勝利。加州大學(xué)洛杉磯分校天文學(xué)家Andrea Ghez表示，經(jīng)過30年在追求自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)過程中的勸服和共識建立，Max具備了一種本能：將工程師、學(xué)術(shù)界人士、資助方領(lǐng)導(dǎo)、大學(xué)行政人員和其他所有在事關(guān)望遠(yuǎn)鏡決策上擁有話語權(quán)的人聯(lián)系起來。

　　第一束光線

　　1983年，Max成為國防咨詢小組Jasons的一員。來自Jasons的科學(xué)家定期碰面，就國家安全提供技術(shù)建議，當(dāng)然通常是為國防部服務(wù)。Max參加的首次會議便是解決美國空軍的需求：識別潛在的敵對衛(wèi)星。然而，即使是晴空萬里，并且有好的望遠(yuǎn)鏡助力，大氣湍流也會將角直徑小于約1角秒的任何細(xì)節(jié)抹掉。

　　天文學(xué)家已經(jīng)提出了一個可能的解決辦法：能反射進入望遠(yuǎn)鏡的光線并在電腦控制下發(fā)生變形的變形反射鏡。理論上，反射鏡的畸變會精確地抵消大氣產(chǎn)生的畸變，從而將圖像恢復(fù)到幾乎完美的狀態(tài)。不過，這種畸變首先要被測量出來，最好通過觀察大氣對目標(biāo)附近明亮的導(dǎo)引星產(chǎn)生的影響來計算。然而，五角大樓感興趣的那些快速移動的目標(biāo)附近，并非總是有明亮的星星可用。

　　這就是為何空軍向Jasons求助。Max和同事在一份機密報告中提供了解決方案：只須沿著望遠(yuǎn)鏡的軸向夜空發(fā)射激光。如果激光被調(diào)節(jié)到恰當(dāng)?shù)牟ㄩL，光束隨后會遇到漂浮在大氣層上空約90公里處自然形成的鈉原子層，并且使鈉發(fā)出熒光，從而產(chǎn)生在地面可見的亮黃色斑點。這在效果上相當(dāng)于夜空中隨處可用的導(dǎo)引星。

　　不過，Max更進一步。她知道鈉激光導(dǎo)引星對天文學(xué)家來說也是極其寶貴的，便提出了一個空軍并未要求但更適合研究需要的附加設(shè)計。不幸的是，該設(shè)計同所有其他鈉激光導(dǎo)引星技術(shù)一樣成為機密。于是，Max和志同道合的空軍科學(xué)家在接下來的7年里游說軍隊披露這些信息。最終，他們勝利了：1991年，空軍科學(xué)家Robert Fugate被允許在天文學(xué)會的一次公開會議上介紹了人工導(dǎo)引星。

　　然而，盡管所有天文學(xué)家對此有著極大熱情，但該系統(tǒng)對技術(shù)要求很苛刻，且花費頗高，并需要那些無法負(fù)擔(dān)的高校自己開發(fā)。因此，在該技術(shù)解密不久，Max便意識到天文學(xué)家需要原理循證研究。在和同事Herb Friedman共進午餐時，Max想出了一個主意：“我們來自勞倫斯利物莫國家實驗室，作的就是激光研究。”

　　的確，該實驗室有一臺巨大的地下激光器。它通常被用來分離同位素，但能被調(diào)節(jié)到鈉的波長。于是，Max和Friedman把激光隧道頂部的一個蓋子移開，然后放置一面通過洞口將激光反彈回夜空的鏡子。隨后，他們在光束旁邊架上一臺小型望遠(yuǎn)鏡，以尋找人工導(dǎo)引星并且測量大氣湍流造成的波前扭曲。下一步是要掌握激光系統(tǒng)在真正的望遠(yuǎn)鏡上發(fā)揮作用所需的復(fù)雜光學(xué)和工程技術(shù)。上世紀(jì)90年代中期，Max和同事在UCO利克天文臺展示的原型最終證明，至少在長波光線上，該系統(tǒng)能使天文臺的3米望遠(yuǎn)鏡達到最好的分辨率。

　　不過，即使這樣，也無法勸服天文學(xué)家接受這項技術(shù)。于是，Max意識到該技術(shù)需要一個“實踐共同體”，用戶在此能學(xué)習(xí)如何建造激光引導(dǎo)星。該想法變成一個由來自國家科學(xué)基金會（NSF）500萬美元、為期10年的項目所資助的自適應(yīng)光學(xué)中心，并在1999年成立最終由Max領(lǐng)導(dǎo)的圣克魯茲校區(qū)。Max介紹說，到2010年，當(dāng)資助結(jié)束、中心不得不關(guān)門時，它已由起初的幾個人發(fā)展成后來的近百人。

　　追求更好分辨率

　　望遠(yuǎn)鏡越大，其能從自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中獲得的優(yōu)勢便越多。在對天文學(xué)尤其有用的1微米波長時，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的2.4米鏡片能產(chǎn)生分辨率在0.11角秒的圖像。而在激光導(dǎo)引星的幫助下，利克天文臺3米望遠(yuǎn)鏡能做到更好，達到0.08角秒。8米望遠(yuǎn)鏡則可以直接達到0.03角秒，性能幾乎好過哈勃的4倍。

　　這種視覺敏銳度能使天文學(xué)家追蹤繞銀河系中心黑洞運行的恒星，獲得其他恒星附近地外行星的圖像，觀察那些被稱為棕矮星的普通低質(zhì)量恒星，并且繼續(xù)開展很多其他曾經(jīng)不可能的研究。

　　不過，該系統(tǒng)將對目前正在建設(shè)中的20~40米望遠(yuǎn)鏡影響最大，其包括均位于智利的歐洲極大型望遠(yuǎn)鏡和巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡以及30米望遠(yuǎn)鏡。如此大型的望遠(yuǎn)鏡能收集到足夠的光線來研究一些模糊的、遙遠(yuǎn)的物體，但如果其分辨率只有1角秒，那就對不起它們數(shù)十億美元的花費了。

高昂的花費也是只有3臺這樣的巨型望遠(yuǎn)鏡的原因所在，而這反過來又意味著將來只有極少數(shù)天文學(xué)家能使用它們。與此同時，那些來自不屬于任何一個大型項目的研究機構(gòu)的“貧窮”天文學(xué)家，正在失去使用3米和4米望遠(yuǎn)鏡的機會，即使這些小型儀器對大規(guī)模巡天觀測或相對較近物體的針對性觀測來說是非常理想的工具。NSF以預(yù)算有限和需要投資大型項目為由，已經(jīng)撤銷了對小型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡項目的資助。

　　UCO同樣面臨現(xiàn)金危機。2013年，教務(wù)長Aime Dorr宣布，由于建設(shè)30米望遠(yuǎn)鏡耗資巨大，加州大學(xué)對利克天文臺的資助將在5年內(nèi)結(jié)束。天文學(xué)家對此表示了強烈抗議。于是，去年秋天，Max以走進Dorr辦公室并詢問“我們怎樣做才能實現(xiàn)雙贏”的方式開始了臨時臺長的任期。Dorr非常愿意嘗試，因為在她看來，Max不僅“可信、正直、誠實、謙遜”，而且能創(chuàng)造至少前任臺長表示無法實現(xiàn)的預(yù)算。在接下來的幾個月里，Max整理了UCO復(fù)雜的合作關(guān)系和預(yù)算，尋找不同的資助來源，撫平暴發(fā)的抗議，并且使加州大學(xué)恢復(fù)了對利克天文臺的資助。

　　Max下一個工作重點是為利克天文臺和凱克望遠(yuǎn)鏡設(shè)計一套復(fù)雜的戰(zhàn)略規(guī)劃。她決定在加州大學(xué)宣布UCO常任臺長的人選時提出這個規(guī)劃。新的臺長或許會是Max，因為她已經(jīng)申請了該職位。但如果不是，Max表示自己將回歸一直擔(dān)任的天文學(xué)家—工程師—共同體建設(shè)者角色。同時，她正致力于研究既能校正大氣產(chǎn)生的畸變又能拓寬視野范圍的多激光自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。Max還在培訓(xùn)一批出色的研究生，而他們既懂得儀器又知曉天文學(xué)。（閆潔）

閆潔