天文台为什么向宇宙发射激光？
天文台大多数都建在视野开阔、远离城市光污染的高山上，我们也经常会看到天文台的圆顶被夜空围绕的照片，每一个天文台的圆顶里面都有一架望远镜正对着天空，天文望远镜是一个天文台最主要的设备之一，它强大的聚光能力，可以弥补我们肉眼的不足，帮助我们窥探宇宙的黑暗深处。
但是我们经常能看到下图中的情形，天文台在向宇宙发射激光，这是用来干嘛的？传输能量？定位？打小怪兽？今天就聊下这个问题，这一束激光代表着我们人类最先进的光学技术！
哈勃和胡克望远镜
不管你手里有没有一台望远镜，或之前有没有了解过！我相信你都听说过望远镜“口径”这个词汇。确实！在天文学中，望远镜的口径很重要：如果望远镜的直径增加一倍，那么它的聚光能力就会增加四倍。不过，尺寸也并不是一切。
在一个世纪前，埃德温·哈勃(Edwin Hubble)在威尔逊山(Mt. Wilson)上使用了著名的胡克(Hooker)望远镜，它的口径达到了100英寸（2.5米），并且拥有最新的摄影技术，是当时世界上最强大的望远镜！利用胡克望远镜，哈勃拍摄了下图中照片，在照片中，哈勃发现仙女座星系远在我们的银河系之外，是宇宙中一个独立的星星岛，这是人们才知道原来宇宙不仅仅是我们自己的银河系！
科学唯一的目的是减轻人类生存的苦难，科学家应为大多数人着想。 —— 伽利略
天文台大多数都建在视野开阔、远离城市光污染的高山上，我们也经常会看到天文台的圆顶被夜空围绕的照片，每一个天文台的圆顶里面都有一架望远镜正对着天空，天文望远镜是一个天文台最主要的设备之一，它强大的聚光能力，可以弥补我们肉眼的不足，帮助我们窥探宇宙的黑暗深处。但是我们经常能看到下图中的情形，天文台在向宇宙发射激光，这是用来干嘛的？传输能量？定位？打小怪兽？今天就聊下这个问题，这一束激光代表着我们人类最先进的光学技术！
哈勃和胡克望远镜
不管你手里有没有一台望远镜，或之前有没有了解过！我相信你都听说过望远镜“口径”这个词汇。确实！在天文学中，望远镜的口径很重要：如果望远镜的直径增加一倍，那么它的聚光能力就会增加四倍。不过，尺寸也并不是一切。
在一个世纪前，埃德温·哈勃(Edwin Hubble)在威尔逊山(Mt. Wilson)上使用了著名的胡克(Hooker)望远镜，它的口径达到了100英寸（2.5米），并且拥有最新的摄影技术，是当时世界上最强大的望远镜！利用胡克望远镜，哈勃拍摄了下图中照片，在照片中，哈勃发现仙女座星系远在我们的银河系之外，是宇宙中一个独立的星星岛，这是人们才知道原来宇宙不仅仅是我们自己的银河系！
当然哈勃还使用胡克望远镜发现了宇宙正在扩张！打破了人们心中那个稳恒态的宇宙模型，为大爆炸理论奠定了观测依据！
望远镜：口径并不是一切
胡克望远镜的口径在当时已经很大了，看起来就像《普罗米修斯》里外星大炮一样！一个世纪后，最大的光学望远镜的直径也只有一个世纪前胡克望远镜的四倍，而且在全世界的范围内大口径望远镜的数量也是屈指可数。
包括我们这一代最伟大的哈勃太空望远镜，比胡克望远镜的口径还要小一点！但是，哈勃望远镜观察一个比仙女座还要远100倍的星系时，它能看到更多的星系细节，甚至能能够分辨出其中的单个恒星。
小口径的哈勃望远镜为何有如此高的分辨率，原因有两个：
首先，相比于一个世纪前，人们在光学系统已经取得了巨大的进步。
照相底片已被电荷耦合器件(CCDs)所取代，模拟设备已被数字设备所取代，收集到的光可以一份一份的去计数。总之今天的业余爱好者所拥有的设备都比一个世纪前的专业人士所拥有的设备好的多，这就是科技的进步！
第二个原因就是，哈勃望远镜的位置：它在太空中！
对于天文学来说，去太空观察宇宙具有巨大的优势。我们小时候都知道星星会眨眼睛，在地球上，区分行星和恒星最简单的方法就是观察它是否闪烁。如果不闪烁，就是一颗行星，如果闪烁就是一颗恒星！因为行星离我们很近，表观尺寸很大，所以不会受到大气的影响！
一开始关于星星为何会闪烁其实人们也争论了很久，有理论说是太阳系边缘的奥尔特云造成的，当然也有人说只是大气造成的！这个问题其实没啥好争论的，去太空看看就知道了，所以当人们第一次进入太空时，这个问题就有了结论。
由于地球的大气是一个湍流的实体，从任何角度看，气体在分层中快速的上升和下降。无论是人类的眼睛还是望远镜，都会受到大气的影响使星光发生扭曲。
天文台为何要发射激光
我们总不能把望远镜都发射到太空吧，所以地面的天文台都会配备自适应光学系统向夜空发射黄橙色激光，来抵消大气的抖动对成像带来的影响。
天文台使用的激光利用了大气的一种特殊性质：在地球的大气中某些元素在特定的高度会与其他元素分离。在大气中一种非常罕见的元素是钠，它恰好集中在100公里以上，一层薄薄的空气中。
天文台向空中发射一束钠激光，激光会激发在特定高度钠原子，从而产生一种人造光源，称为激光导航星。
激光导航星也被称为人造恒星，它发出的光会穿过100公里的大气层回到望远镜，并被湍流大气扭曲，那么宇宙中其他恒星的光也会经过同样的路径到达望远镜。
唯一不同的是，导航星是我们自己造的，我们很了解它的真实模样，例如：导航星特定的位置、特定的波长以及它是一个单点光源。所以导航星就给我们提供了一个真实影像和被大气扭曲后的影像之间的参考！
因此我们根据导航星就可以调整望远镜镜片的形状，让导航星恢复到正确的位置和形状，这样就消除了大气湍流的影响。大致的过程如下图所示：
计算机检测来自导航星的入射光，并且不断的改变镜片的形状，使望远镜能够最大限度的获得一张消除大气所有负面影响的图像。整个装置是自适应光学领域中最先进的技术，也是自望远镜发明以来地面天文学中最具革命性的进步。
自适应光学技术是1953年由海尔天文台的胡瑞斯·拜勃库克（Horace Babcock）提出的，直到1991年5月，美国军方将自适应光学的研究资料解密，计算机和光学技术也足够发达，自适应光学技术才得以广泛应用。
总结：地面天文台的自适应光学技术，可以和哈勃太空望远镜相媲美
下图是使用最先进的自适应光技术，获得了照片，看起来比太空的哈勃望远镜还要清晰、分辨率还要高!
小方框是天空中的同一区域，下图左边是哈勃的数据，右边是双子天文台（采用新的自适应光学技术）的数据。
上图是NGC288球状星团内部的景象，目前看来凯克、双子和利克天文台自适应光学系统的表现与哈勃望远镜相当！而且地面的天文台能够以前所未有的分辨率观察猎户座星云的内部。下图：
所以，当你下次看到天文台（或是一张图片）向宇宙发射激光时，这可不是我们在与外星人战斗，攻击一个遥远的文明，或者把能量发送到一个遥远的地方，这是我们人类目前最先进的光学技术！
虽然我们可以把望远镜送到太空，但是我们也需要在不离开地球的情况下，用最好的技术，尽最大的能力，获得一个太空天文台所具有的分辨率，毕竟这个花费小，维护起来也方便！
这就是为什么天文台要向天空发射激光，这不是在打小怪兽！
胡克望远镜的直径当时已经很大了。它看起来像《普罗米修斯》的外星大炮！一个世纪后，最大的光学望远镜的直径只有一个世纪前胡克望远镜的四倍，全世界大口径望远镜的数量也非常少。
包括我们这一代最伟大的哈勃太空望远镜，都比胡克望远镜小。然而，当哈勃观察到一个比仙女座星系远100倍的星系时，它可以看到该星系的更多细节，甚至可以识别单个恒星。首先，与一个世纪前相比，人们在光学系统方面取得了巨大的进步。照相底片已经被电荷耦合器件(CCDs)取代，模拟器件已经被数字器件取代，收集的光可以一个接一个地计数。简而言之，今天的业余爱好者拥有比一个世纪前专业人士更好的设备。这是科学技术的进步。
起初，人们还就恒星闪烁的原因争论了很长时间，认为这是由太阳系边缘的奥尔特云引起的。当然，也有人说是大气造成的。事实上，这个问题没有什么可争论的。去太空看看，所以当人们第一次进入太空时，问题就结束了。由于地球大气层是一个湍流实体，气体从任何角度分层都会快速上升和下降。人眼和望远镜都受到扭曲星光的大气影响。
激光导航星也被称为人造星。它们发出的光将穿过100公里的大气层返回望远镜，并被湍流大气扭曲。然后宇宙中其他恒星发出的光也将通过同样的路径到达望远镜。唯一的区别是导航星是我们自己制造的，我们非常清楚它的真实外观，例如导航星的具体位置和波长，它是一个单点光源。因此，导航星为我们提供了真实图像和被大气扭曲的图像之间的参考！
