讓地基望遠鏡媲美空間天文臺

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翻譯：葛文迪

校對：牧夫校對組

編排：胡暖暖

后臺：朱宸宇

https://www.universetoday.com/articles/mathematicians-are-making-earth-based-telescopes-rival-space-observatories

地基望遠鏡存在一個根本性問題，無論多少工程手段都無法解決。它們試圖透過地球大氣層觀測宇宙，而大氣層是一層不斷移動的空氣，會扭曲和模糊傳入的光線。這有點像試圖拍攝一條水流潺潺的小溪底部的照片！像哈勃這樣的空間望遠鏡很容易通過在大氣層上方運行來避開這個問題，但它們只能拍攝天空中微小的一片區(qū)域?，F(xiàn)在，約翰·霍普金斯大學的研究人員開發(fā)出了一種巧妙的數(shù)學解決方案，可能會讓地基望遠鏡在保留其觀測廣闊宇宙區(qū)域的能力的同時，獲得接近太空質(zhì)量的視覺效果！

大氣層對地球上的生命至關(guān)重要，但對天文成像來說卻是一個真正的問題

圖片來源：NASA/杰夫·威廉姆斯

地球大氣層從未靜止。溫度變化、氣壓變化以及其他大氣條件會導致來自遙遠恒星和星系的光線在穿過不同層次時發(fā)生不同的折射。對于明亮的天體，這只可能會讓它們看起來閃爍，但對于較暗的目標，這就會帶來一個嚴重的問題。傳統(tǒng)的圖像處理技術(shù)在處理這些扭曲時，一直難以在不模糊重要細節(jié)或在最終圖像中引入人工顆粒感的情況下進行處理。

極大型望遠鏡的藝術(shù)構(gòu)想圖。像這樣的地基望遠鏡必須透過我們湍流的大氣層進行觀測

圖片來源：斯威本天文學制作

作為一名熱衷于天文成像的人，這種前景令人垂涎。我手頭已經(jīng)有大量算法可以用來調(diào)整和改進圖像，而一種革命性的新算法令人興奮。這種新算法被稱為ImageMM，它使用復雜的數(shù)學技術(shù)來穿過大氣湍流，重建在所有這些干擾背后的天空的實際樣子。領(lǐng)導這項研究的天文學家兼數(shù)學家塔馬斯·布達瓦里（Tamás Budavári）解釋說，優(yōu)化我們的視野不僅僅是為了讓我們看到更漂亮的圖片。它使望遠鏡能夠探測到更暗、更遙遠的天體，并拓展了從地球表面可觀察到的邊界。

ImageMM采用了一種不同的方法，通過建模光線如何穿過不斷變化的大氣層。開發(fā)該算法的約翰·霍普金斯數(shù)學家亞什爾·蘇庫爾迪普（Yashil Sukurdeep）將其描述為學會看穿一張不安分的薄紗窗簾，以揭示隱藏在其背后的清晰、銳利的圖像。該方法依賴于一種稱為主化最小化（Majorization-Minimization）的數(shù)學技術(shù)，該技術(shù)被改進后專門用于天文應用。

位于夏威夷毛納基亞的斯巴魯望遠鏡

圖片來源：丹尼斯

使用夏威夷斯巴魯望遠鏡的數(shù)據(jù)進行的早期測試，夸張地展示了該算法的能力。該系統(tǒng)僅在幾秒鐘內(nèi)就處理了模糊、嘈雜的圖像，以前所未有的清晰度揭示了諸如遙遠星系的螺旋結(jié)構(gòu)等復雜細節(jié)。讓ImageMM特別有價值的是它處理真實觀測數(shù)據(jù)中缺陷的能力。與現(xiàn)有工具不同，它在處理觀測中常見的缺失像素值時，能有效去除噪聲和模糊。蘇庫爾迪普指出，盡管天文學家永遠不會有一個完美的真實情況來比較，但這種方法代表了目前可實現(xiàn)的最接近完美重建的方式。

超廣角相機Hyper Suprime-Cam（安裝在斯巴魯望遠鏡上，左圖）與新ImageMM算法生成的圖像（右圖）的對比。左邊的圖像與實踐中通常使用的圖像質(zhì)量相似

圖片來源：約翰·霍普金斯大學

時機再好不過了。魯賓天文臺已經(jīng)開始了測試數(shù)據(jù)收集工作，將在今年晚些時候開始進行旨在了解暗能量和暗物質(zhì)的廣泛調(diào)查。對于這些研究來說，精確測量遙遠星系的形狀以及探測由引力效應引起的細微扭曲至關(guān)重要。即使是價值數(shù)十億美元的天文臺在圖像質(zhì)量上的微小提升，也能轉(zhuǎn)化為重大的科學收益。

可以說，空間望遠鏡在拍攝深度高分辨率圖像方面表現(xiàn)出色，但它們只能觀測到天空的微小部分。在34年的時間里，哈勃望遠鏡只拍攝了大約0.1%的可觀測天空。像魯賓這樣的地面設(shè)施將在每幾天內(nèi)對整個可見天空進行成像。通過ImageMM處理這些數(shù)百次的觀測，天文學家最終可能會實現(xiàn)接近太空望遠鏡質(zhì)量的圖像，同時保持只有地面儀器才能提供的全面天空覆蓋，而且成本只是其中的一小部分。

文章來源：Mathematicians Are Making Earth Based Telescopes Rival Space Observatories - Universe Today

責任編輯：郭皓存

牧夫新媒體編輯部

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從國際空間站俯瞰維納斯帶。圖源Don Pettit。

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