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聯(lián)合多個(gè)望遠(yuǎn)鏡組成光學(xué)干涉儀可以大大提高光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的角分辨率，其工作原理與合成孔徑的射電望遠(yuǎn)鏡陣列是相同的。但是光波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于微波波長(zhǎng)，光學(xué)干涉儀的技術(shù)難度遠(yuǎn)大于合成孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，其相關(guān)技術(shù)也只是近年來才逐步完善成熟。VLT的角分辨率高達(dá)0.0005角秒，比哈勃太空望遠(yuǎn)鏡還要高出50倍，意味著它可以分辨距其64萬(wàn)公里外一輛小轎車的兩個(gè)前車燈。

VLT能夠分辨64萬(wàn)公里外汽車的兩個(gè)前燈，它無疑是當(dāng)今世界上分辨率最高的天文望遠(yuǎn)鏡，但是某位院士宣稱：“我的儀器可以清晰地看到木星軌道上的汽車車牌”。他的那個(gè)儀器的分辨率比VLT至少還要高出上萬(wàn)倍！至于為什么他的這個(gè)儀器沒有任何國(guó)際天文學(xué)家感興趣，其中的道理我就弄不明白了。

VLT的強(qiáng)聚光能力和高分辨率為本次實(shí)驗(yàn)對(duì)S0-2星精確定位提供了可能性，但僅靠VLT是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是在紅外光范圍對(duì)目標(biāo)物S0-2的位置坐標(biāo)、速度和光譜結(jié)構(gòu)的精細(xì)測(cè)量，目標(biāo)物的紅外光到達(dá)地面的VLT望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)時(shí)會(huì)受到地球大氣層的嚴(yán)重干擾。大氣擾動(dòng)使夜空中的星星像是在眨眼睛，這番景象讓人們感覺到詩(shī)意盈然，但是對(duì)天文學(xué)家來說則是無盡煩惱。雖然太空望遠(yuǎn)鏡可以避免地面大氣層的尷尬，但是太空望遠(yuǎn)鏡的鏡頭尺寸受到限制，並且其制造、維護(hù)和使用的費(fèi)用甚高。近年來逐漸發(fā)展成熟起來的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)就是幫助地面大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡克服大氣層干涉的利器。

如圖5所示，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)由波前探測(cè)器、波前控制器、波前校正器組成。波前探測(cè)器，主要是探測(cè)目標(biāo)物近旁的對(duì)照星體的波前畸變，波前控制器對(duì)于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)來說就如同計(jì)算機(jī)的CPU，通過波前探測(cè)器得到的波前數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算求得波前相位，然后通過控制系統(tǒng)反饋給波前校正器調(diào)節(jié)變形鏡的各子模塊來補(bǔ)償畸變波陣面，提高圖像精度。所以，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)通常也簡(jiǎn)單地稱之為變形鏡。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)獲取的圖像幾乎可與在太空中拍攝的一樣清晰，它可以用來觀測(cè)亮度很低的天體，并且從中能夠獲得更多的細(xì)節(jié)。

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的基本原理

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的效果示意圖。右邊和左邊分別是有和無自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的銀河系中心成像效果對(duì)比。

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)工作時(shí)，必須有一個(gè)和觀測(cè)對(duì)象亮度相近的對(duì)照星體，用它來估算出地面大氣造成的干涉效應(yīng)，從而對(duì)望遠(yuǎn)鏡鏡面形狀進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整以抵消大氣的干涉。因?yàn)橐箍罩械哪繕?biāo)物旁邊找到合適的對(duì)照天體并非易事，于是只能通過向高空大氣層發(fā)射激光束產(chǎn)生激光導(dǎo)星作為對(duì)照星體，這就使自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)有了更廣泛的應(yīng)用。目前新一代自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)正在研發(fā)當(dāng)中，這些技術(shù)包括同時(shí)使用多個(gè)激光導(dǎo)星以及高級(jí)自適應(yīng)光學(xué)設(shè)備等等。

通過上面的介紹，就不難明白為什么這次實(shí)驗(yàn)發(fā)生在2018年而不是2002年。S0-2繞行軌道周期是16年，2002年該星進(jìn)入過與如今相同的極端狀態(tài)，可惜當(dāng)時(shí)的甚大望遠(yuǎn)鏡VLT和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)都沒有準(zhǔn)備好，天文學(xué)家們只能望星興嘆。但是這16年間，天文學(xué)家和眾多技術(shù)專家們作出了巨大的努力，終于在今年完成了這個(gè)極有意義的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

世界上對(duì)S0-2恒星追蹤觀測(cè)二十多年的有兩支天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)。于今年7月26首先宣布這次科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的是德國(guó)Reinhard Genzel領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，那么另一個(gè)團(tuán)隊(duì)是誰(shuí)？他們又做了些什么？其實(shí)正是這兩個(gè)問題引起了我的興趣并動(dòng)筆寫作此文。

這第二個(gè)團(tuán)隊(duì)是銀河中心研究組GCG(Galactic Center Group)，其成員來自加州大學(xué)洛杉磯分校UCLA，加州理工學(xué)院，夏威夷大學(xué)W. M. Keck天文臺(tái)。這個(gè)團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)始人和首席科學(xué)家是UCLA的安德里亞.蓋茨(Andrea Ghez)教授，她和她團(tuán)隊(duì)中許多成員都是我校物理和天文學(xué)系的老師和學(xué)生，我和他們同系共事有相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期。蓋茨教授是美國(guó)國(guó)家科學(xué)院的院士、美國(guó)科學(xué)藝術(shù)研究院院士，世界著名的女天文學(xué)家，她的學(xué)術(shù)成就和奮斗經(jīng)歷足可寫成幾本好書。

銀河系中心研究組的研究重點(diǎn)是以盡可能高的角分辨率研究銀河系的最內(nèi)部區(qū)域及其中心的超大質(zhì)量黑洞，目的是了解超大質(zhì)量黑洞與星系的形成和演化之間的相互作用。為此，他們對(duì)S0-2恒星進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)二十多年的跟蹤觀測(cè)。

為了分辨恒星光譜引力紅移的牛頓力學(xué)模型和相對(duì)論模型之間的細(xì)微差異，必須讓S0-2恒星位于黑洞最近處的極端條件下進(jìn)行觀測(cè)。除了時(shí)空彎曲，引起光譜紅移還有許多其它因素，因此僅在最接近的位置上確定紅移是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。天文學(xué)家必須在S0-2繞行黑洞軌道的多個(gè)位置上作紅移觀測(cè)，真正有意義的引力紅移數(shù)據(jù)決定于S0-2在幾個(gè)位置上光譜紅移的差值和S0-2的精確運(yùn)動(dòng)軌道參數(shù)。

通過理論分析和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，可以確定S0-2恒星軌道上有三個(gè)“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”是測(cè)量相對(duì)論引力紅移的的最敏感時(shí)間點(diǎn)。2018年，S0-2將經(jīng)歷的三個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別是：速度最大點(diǎn)，距離最近點(diǎn)和速度最小點(diǎn)，即圖片7上的紅、綠、藍(lán)三點(diǎn)。到目前為止，對(duì)其中兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的測(cè)量已經(jīng)完成，對(duì)最后一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的測(cè)量目前正在緊張進(jìn)行之中。

德國(guó)的團(tuán)隊(duì)完成了對(duì)S0-2的二個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的探測(cè)后就公布了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)此，蓋茨教授向他們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手表達(dá)了祝賀，她說：“他們的數(shù)據(jù)看起來很漂亮?！钡脖硎舅膱F(tuán)隊(duì)會(huì)堅(jiān)持做完三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的測(cè)試，計(jì)劃等到今年晚些時(shí)候公布他們的結(jié)果。

我會(huì)設(shè)法聯(lián)系蓋茨教授的團(tuán)隊(duì)，希望能獲知本次科學(xué)實(shí)驗(yàn)更多的細(xì)節(jié)和幕后花絮，如有可能將另成一文與觀察者網(wǎng)的讀者們分享。

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