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一颗星的诞生

2002-12-27 15:41 作者:鲁伊 2002年第4期
2002年1月4日夜,一束激光从高8层楼、重300吨、透镜直径达10米的凯克II号天文望远镜射向晴朗无云的夜空:一颗人造新星诞生了!

凯克天文台的内部结构示意图

夏威夷岛上的莫纳克亚山(Mauna Kea)是一座海拔4205米的休眠火山,在它终年积雪的山顶上,坐落着美国、英国、加拿大和智利等国家的多座天文台和大型天文望远镜。在众多天文台中,由美国W.M.凯克基金会(W.M. Keck Foundation)投资1.4亿美元建造的凯克天文台(Keck Observatory)无疑是其中翘楚。加州理工学院、加州大学和美国国家航空航天局(NASA)共同维护着这座天文台中的双子型 “凯克天文望远镜”(Keck Telescopes)的运行,它是目前世界上最大的光学和红外线望远镜,被天文学家亲切称为“凯克之心”。

2002年1月4日夜,一束激光从高8层楼、重300吨、透镜直径达10米的凯克II号天文望远镜射向晴朗无云的夜空:一颗人造新星诞生了!

这颗新星对肉眼来说是太微弱了。用天文学的术语来讲,它的星等仅为9.5,比人眼可见的最低标准要低25倍。发射装置将激光束的波长调整为恰好能与钠原子形成共振,当激光束照在距地球表面95公里高的钠原子层上时,反射出的光形成一团直径3英尺左右的桔黄色光晕。在满天繁星的映衬下,就如同一盏老式的暗淡街灯一般。

虽然这颗人造新星如此不起眼,但它在天文学界中引起的反响却是巨大的。伊利诺斯大学的天文学教授莱尔德•汤普森(Laird Thompson)在接受《空间》(Space)杂志电话采访时激动地指出,“这是天文学研究中的一个里程碑”。而更多的天文学家们则表示,这颗位于太平洋第一高峰莫纳克亚山上空的新星,可以帮助人类看到众多从前根本无法观测到的黯淡星体,并能够提供那些星体的高清晰度图片,这使得人类对星空的探索前进了一大步。

要了解这颗人造新星的重要意义,必须先从天文学上的“自适应光学系统”(Adaptive Optics System)和“导星”(guide star)说起。对天文观测而言,通过望远镜获得超远距离辐射源的高精度图片非常重要。望远镜自身越大,在理论上所需要的精度也就越高。但通常情况下,地球大气的干扰等因素将直接影响天文望远镜观测的清晰度。自适应光学系统就是许多天文望远镜所采取的一种实时校正光学系统随机误差的新技术。通过不断调节镜面各部分的位置,以补偿由大气扰动所造成的光波到达镜面不同部分的时间误差,它使光学系统能适应使用条件变化而保持良好性能,有效解决高分辨率和激光传输光学系统的动态随机干扰问题。采用了适应光学系统的凯克天文望远镜,其精密程度可以纳米计。

在用望远镜观测星空时,为了确定观测对象的相关数据,通常都会选择一颗望远镜视野内的恒星作为参照,这种恒星,就被称为“导星”。自适应光学系统的镜面调校等诸多问题都和导星密切相关。然而,只有一些特别明亮的恒星才适合作为导星,而且,它们还必须恰好位于观测对象附近。诸多条件的限制,使天空中只有不到1%的星适合采用这种观测技术。这大大的限制了天文学家的研究范围。

20世纪80年代末期,美国军方研究人员开始进行使用激光人工制造导星的尝试。莱尔德•汤普森和他的同事参与了相关研究工作,并且成为1987年第一次人工激光导星制造成功的见证人之一。或许是一种巧合,那一次的人工导星也位于莫纳克亚山上空。

军方对这一结果十分惊喜,也许是出于获取荣誉的目的,他们很快就将有关研究材料解密,公诸于众。毫无疑问,90年代初,激光聚焦高空钠原子层制造人工导星技术资料的解密为民间科学研究提供了极大推动力。多国天文学家都投入这项研究,其中有此次成功制造新星的凯克天文台,也有莱尔德•汤普森,他目前正在加利福尼亚的蒙特维尔森(Mount Wilson)测试自己的导星系统。德国和加拿大的人工导星,也可能于几年内面世。

有着W.M.凯克基金会、美国国家航空航天局(NASA)和美国国家科学基金会(National Science Foundation)提供的雄厚资金,占据着堪称世界上最好的天文台址的地理位置,加上位于加利福尼亚的劳伦斯利弗茅国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的鼎力协助,凯克II号的造星计划可谓得尽天时地利人和。因此,它的成功也是可想而知的。乔治亚州立大学的天文学教授哈罗德•迈克阿里斯特(Harold A. McAlister)在接受采访时,持谨慎的乐观态度,字斟句酌地说,“如果它能够正常运行的话,就应该能够提供从前根本无法看到的那些黯淡的星体的高清晰度的图片。”而另一边,参与凯克项目的天文学家们却已经宣称,在新的导星的协助下,他们的自适应光学系统已经可以拍摄到4倍于哈勃天文望远镜图片清晰度的红外光谱图像了。

尽管位于太空中的哈勃望远镜能够免受地球大气的干扰,但哈勃望远镜的取景范围小,收集的光不够多,能够观测到的星体的数目也有限。而虚拟的导星可以被放置在空中的任何地方,使得天文学家们可以自由地得到任何方向的星体的高清晰度的优质图片。正如凯克天文台的科学家们所欣喜的,宇宙从此距离我们更近了

背景介绍:

W.M.凯克基金会,由超级石油公司(Superior Oil Company)的创始人威廉•梅隆•凯克(William Myron Keck)创办于1954年,美国最大的基金会之一。该基金会主要为医药、科学及工程技术方面的研究提供基金。从创立至今,W.M.凯克基金会共颁发了超过8.75亿美元的学术研究基金,而它的资产也从最早的2.5亿美元增长到了今天的15亿美元。

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