让地基望远镜媲美空间天文台

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翻译：葛文迪

校对：牧夫校对组

编排：胡暖暖

后台：朱宸宇

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

地基望远镜存在一个根本性问题，无论多少工程手段都无法解决。它们试图透过地球大气层观测宇宙，而大气层是一层不断移动的空气，会扭曲和模糊传入的光线。这有点像试图拍摄一条水流潺潺的小溪底部的照片！像哈勃这样的空间望远镜很容易通过在大气层上方运行来避开这个问题，但它们只能拍摄天空中微小的一片区域。现在，约翰·霍普金斯大学的研究人员开发出了一种巧妙的数学解决方案，可能会让地基望远镜在保留其观测广阔宇宙区域的能力的同时，获得接近太空质量的视觉效果！

大气层对地球上的生命至关重要，但对天文成像来说却是一个真正的问题

图片来源：NASA/杰夫·威廉姆斯

地球大气层从未静止。温度变化、气压变化以及其他大气条件会导致来自遥远恒星和星系的光线在穿过不同层次时发生不同的折射。对于明亮的天体，这只可能会让它们看起来闪烁，但对于较暗的目标，这就会带来一个严重的问题。传统的图像处理技术在处理这些扭曲时，一直难以在不模糊重要细节或在最终图像中引入人工颗粒感的情况下进行处理。

极大型望远镜的艺术构想图。像这样的地基望远镜必须透过我们湍流的大气层进行观测

图片来源：斯威本天文学制作

作为一名热衷于天文成像的人，这种前景令人垂涎。我手头已经有大量算法可以用来调整和改进图像，而一种革命性的新算法令人兴奋。这种新算法被称为ImageMM，它使用复杂的数学技术来穿过大气湍流，重建在所有这些干扰背后的天空的实际样子。领导这项研究的天文学家兼数学家塔马斯·布达瓦里（Tamás Budavári）解释说，优化我们的视野不仅仅是为了让我们看到更漂亮的图片。它使望远镜能够探测到更暗、更遥远的天体，并拓展了从地球表面可观察到的边界。

ImageMM采用了一种不同的方法，通过建模光线如何穿过不断变化的大气层。开发该算法的约翰·霍普金斯数学家亚什尔·苏库尔迪普（Yashil Sukurdeep）将其描述为学会看穿一张不安分的薄纱窗帘，以揭示隐藏在其背后的清晰、锐利的图像。该方法依赖于一种称为主化最小化（Majorization-Minimization）的数学技术，该技术被改进后专门用于天文应用。

位于夏威夷毛纳基亚的斯巴鲁望远镜

图片来源：丹尼斯

使用夏威夷斯巴鲁望远镜的数据进行的早期测试，夸张地展示了该算法的能力。该系统仅在几秒钟内就处理了模糊、嘈杂的图像，以前所未有的清晰度揭示了诸如遥远星系的螺旋结构等复杂细节。让ImageMM特别有价值的是它处理真实观测数据中缺陷的能力。与现有工具不同，它在处理观测中常见的缺失像素值时，能有效去除噪声和模糊。苏库尔迪普指出，尽管天文学家永远不会有一个完美的真实情况来比较，但这种方法代表了目前可实现的最接近完美重建的方式。

超广角相机Hyper Suprime-Cam（安装在斯巴鲁望远镜上，左图）与新ImageMM算法生成的图像（右图）的对比。左边的图像与实践中通常使用的图像质量相似

图片来源：约翰·霍普金斯大学

时机再好不过了。鲁宾天文台已经开始了测试数据收集工作，将在今年晚些时候开始进行旨在了解暗能量和暗物质的广泛调查。对于这些研究来说，精确测量遥远星系的形状以及探测由引力效应引起的细微扭曲至关重要。即使是价值数十亿美元的天文台在图像质量上的微小提升，也能转化为重大的科学收益。

可以说，空间望远镜在拍摄深度高分辨率图像方面表现出色，但它们只能观测到天空的微小部分。在34年的时间里，哈勃望远镜只拍摄了大约0.1%的可观测天空。像鲁宾这样的地面设施将在每几天内对整个可见天空进行成像。通过ImageMM处理这些数百次的观测，天文学家最终可能会实现接近太空望远镜质量的图像，同时保持只有地面仪器才能提供的全面天空覆盖，而且成本只是其中的一小部分。

文章来源：Mathematicians Are Making Earth Based Telescopes Rival Space Observatories - Universe Today

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

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从国际空间站俯瞰维纳斯带。图源Don Pettit。

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