E地面望远镜可以透过薄雾看到星星和其他天体。它们所收集的光波在太空中不受阻碍地穿行了数十亿年，只是在最后一毫秒被地球动荡的大气层扭曲了。这种扭曲现在变得更加重要，因为科学家们正准备建造地球上最大的三个望远镜，每个都有20到40米宽的聚光表面。原则上，望远镜越大，天文图像的分辨率就越高。在实践中，扭曲的大气层面纱总是限制了所能取得的成就。现在，一种被称为自适应光学的快速发展的技术可以揭开面纱，让天文学家充分利用当前和未来的大型望远镜。事实上，自适应光学已经使重要的发现和观测成为可能，包括:在银河系中心发现了超大质量黑洞，证明了这种奇异物体的存在;其他恒星周围的行星系的第一张图像和光谱;以及对早期宇宙中星系形成的高分辨率观测。
但自适应光学仍未发挥其全部科学潜力。现有的技术只能部分纠正大气模糊，无法对天空的大部分区域或天文学家想要研究的大多数物体提供任何纠正。
我们在此提议的项目将充分开发自适应光学的潜力，将该技术提升到一个新的水平，将促进对一些关键天体物理学问题的研究，包括:
- 什么是超大质量黑洞，它们是如何工作的?自适应光学开辟了研究超大质量黑洞的新途径——通过恒星轨道——但只有最亮的恒星，也就是冰山一角，被测量过。有了下一代自适应光学，我们将能够在研究这些被认为在我们的宇宙中起着核心作用的不甚了解的物体方面取得下一个飞跃。例如，在银河系中心的巨大黑洞附近的空间，引力达到了极端水平。爱因斯坦的广义相对论仍然适用吗?还是新的奇异的物理现象出现了?这些巨大的黑洞是如何塑造它们的宿主星系的?星系中心的早期自适应光学观测揭示了一个完全意想不到的环境，挑战了我们对黑洞和星系关系的概念，这是宇宙学模型的基本组成部分。回答这两个问题的一种方法是找到并测量比目前已知的任何恒星都更接近黑洞的暗淡恒星的轨道——先进的自适应光学技术将使之成为可能。
- 用自适应光学技术获得的太阳系外行星的第一张直接图像，提出了关于恒星和行星形成的基本问题。新恒星究竟是如何形成的，又是如何从它们周围的气体盘中衍生出行星的呢?新的、更高分辨率的这一过程的图像——利用来自更大望远镜的未失真数据——可以帮助回答这个问题，也可能揭示我们的太阳系是如何形成的。此外，尽管迄今为止只发现了少数新生行星，但先进的自适应光学技术将使天文学家能够发现更多行星，并帮助确定它们的组成和孕育生命的潜力。
- 暗物质和暗能量仍然是完全神秘的，尽管它们构成了宇宙的大部分。但是，使用自适应光学详细观察来自遥远星系的光如何在近星系周围折射形成多重图像——所谓的引力透镜——可以帮助科学家了解暗物质和暗能量如何改变空间本身。
此外，很明显，配备了先进自适应光学技术的望远镜将激励整整一代天文学家设计和实施大量以前不可能的创新研究项目。
伊桑Tweedie
从原理上讲，自适应光学技术非常简单。首先，天文学家通过观察一个明亮的已知物体(一颗“导向星”)发出的光，或者通过使用调谐的激光使上层大气中一层薄薄的钠原子发出荧光和发光，作为一颗人造导向星，来测量大气中的瞬时湍流。湍流测量被用来计算(同时也是瞬时的)湍流在入射光波中产生的扭曲。然后通过快速变形望远镜中可变形镜面的表面来抵消这些变形。每秒钟可以进行数百次的测量和修正，这只有在强大的计算能力、复杂的光机械连接和实时控制系统的支持下才能实现。我们知道如何构建这些工具。
当然，在大气层之上运行的望远镜，比如哈勃太空望远镜，不需要自适应光学。但是，哈勃望远镜和即将到来的下一代太空望远镜都比目前正在计划中的巨大的地面望远镜要小。对于那些需要非常高分辨率的研究来说，比如上面提到的课题和其他许多课题，真的没有什么能替代巨大而不能放入太空的望远镜的光收集能力。
下一代自适应光学技术甚至可以有效地将最大的地面望远镜“置于大气层之上”，使它们成为观测宇宙的真正令人惊叹的新窗口。我们知道如何创造这种能力——技术已经掌握，团队已经组建。现在是时候让先进的自适应光学发挥作用了。
创造下一代自适应光学
自适应光学(AO)成像技术被用来通过校正穿过湍流介质的光波的畸变来改善光学系统的性能。这项技术已经彻底改变了从眼科、视觉科学到激光通信的各个领域。在天文学上，AO使用精密的、由快速计算机控制的可变形的镜子，实时校正由地球大气湍流造成的失真。配备了AO的望远镜已经能够提供比以往任何时候都更清晰、更清晰的遥远天体的图像，即使是从太空中也不可能。但目前的AO系统仅能部分校正大气模糊的影响，而且只有当望远镜指向特定方向时才会如此。下一代自适应光学的目标是克服这些限制，并为天空中任何地方的大气模糊提供精确的校正。
电流的一个限制是激光引导星，它为上层大气中的钠原子提供能量，使它们发光，就像用来测量大气畸变的人造恒星一样。这颗“恒星”相对较近，仅距地球表面约90公里，因此该技术只探测望远镜上方的一个锥形大气体积，而不是整个圆柱形空气，真正的恒星光线必须通过这些空气才能到达望远镜。因此，许多扭曲的大气结构是无法测量的。我们提出的下一代AO将采用7颗激光引导星，覆盖被研究天体的光所经过的整个圆柱形路径。
J.Lu(夏威夷大学)& T. Do(加州大学洛杉矶分校)
这种技术可以绘制出大气的三维结构，类似于MRI医学成像绘制人体的方式。仿真结果表明，所得到的校正将是优秀和稳定的，在成像方面产生革命性的改进。例如，恒星发出的光会被集中到焦平面相机的一小块区域内，并且比现有系统的分散程度要小得多，这样就能得到尽可能清晰、清晰的图像，显示出最细微的细节。
这对于现有的大型望远镜来说尤其重要，比如W. M. Keck天文台(WMKO)——目前世界上领先的天文学AO平台。我们的团队——UCLA银河中心集团(GCG)和WMKO的工作人员都深入参与了下一代AO系统的开发。
下一代AO在成像和光谱学质量上的巨大飞跃将为凯克望远镜的先进AO系统铺平道路。然而，对于下一代超大望远镜来说，这些AO技术的进步将是至关重要的。这是因为在如此大的望远镜中，光线必须通过的圆柱形大气体积是如此之大，以至于目前的AO技术无法提供令人满意的修正。因此，下一代AO技术对红外天文学的未来至关重要，最终对光学天文学也是如此。
拟议的五年总预算为8000万美元。三个主要组件必要采取科学的跳跃能力包括激光导星系统,自适应光学系统,和一个强大的新的科学仪器,包括红外成像仪和红外光谱仪,提供了观察能力,利用新的自适应光学系统。对自适应光学的投资还将有助于为其他关键的科学和技术行业发展强大的劳动力队伍，因为许多学生被积极招聘到激光通信、生物医学光学、金融和商业的大数据分析等行业职位，用于政府和国防应用的图像传感和光学，以及航天工业。这项投资还将有助于保持美国在科技上的领先地位。资金充足的欧洲集团已经认识到AO的力量，并正在开发具有竞争力的系统，尽管这里描述的下一代AO项目将设立一个全新的标准。
联邦资助机构认为这项工作的科学理由很有说服力，但他们已经明确表示，这超出了目前的预算能力。因此，对于私人慈善事业来说，这是一个非凡的机会——对于政府以外的有远见的人来说，帮助将这个雄心勃勃的突破性项目变成现实，并打开一扇通向宇宙的新窗户。
