激光技術(shù)的應(yīng)用在天文學(xué)中有著悠久的歷史。類似哈勃這樣的空間望遠(yuǎn)鏡之所以能夠捕捉到清晰而壯觀的圖像，是因為相對于地面望遠(yuǎn)鏡，它們避免了大氣擾動（導(dǎo)致恒星在夜空中“閃爍”的效應(yīng)）。但是，空間望遠(yuǎn)鏡受到火箭運載器和鏡面大小的限制。地面上的天文臺憑借其更大的口徑和自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，因而擁有更強大的觀測能力。
近期，澳大利亞國立大學(xué)（ANU）研究人員正努力拓寬激光技術(shù)在天文空間領(lǐng)域的應(yīng)用。該研究顯示，激光技術(shù)不但可以優(yōu)化地面望遠(yuǎn)鏡影像（自適應(yīng)光學(xué)），還有助于緩解日益嚴(yán)重的太空碎片問題。
研究人員在自適應(yīng)光學(xué)上研究取得的成果，已經(jīng)能夠解決由于大氣擾動引起的圖像模糊。通過在“向?qū)恰保╣uide star）激光器上運用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，使得定位、跟蹤太空碎片變得更為容易。
俄羅斯激光炮的概念圖（來源：about the Space/ Adrian Mann）
自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的工作原理是通過向天空發(fā)射強大的激光，以激發(fā)太空邊緣鈉層中的粒子（鈉層系由隕石燃燒產(chǎn)生）。從望遠(yuǎn)鏡觀測視角，被激發(fā)的鈉原子如同一顆明亮的人造恒星，明亮到其射回的光線足以用來測量大氣層扭曲光線的程度。通過這些信息，地面望遠(yuǎn)鏡鏡面便可以進(jìn)行相應(yīng)的輕微調(diào)整，從而抵消大氣層對光畸變的影響。為了契合千變?nèi)f化的大氣條件，該矯正過程每秒進(jìn)行數(shù)千次。
正如澳大利亞國立大學(xué)教授Celine D' orgeville解釋的那樣：如果沒有自適應(yīng)光學(xué)，從地面上觀測到的太空天體像一團(tuán)模糊的光。這是由于地球的大氣層扭曲了從天體射來的光線。但有了自適應(yīng)光學(xué)，這些天體變得更容易被觀測，其圖像也更加清晰。從本質(zhì)上講，自適應(yīng)光學(xué)能夠校正大氣層造成的失真，確保強大的地面望遠(yuǎn)鏡能夠捕捉到清晰的、令人贊嘆的圖像。
這項技術(shù)非常適合被用來觀測在天空中緩慢移動的遙遠(yuǎn)恒星與星系，但澳大利亞國立大學(xué)的研究人員并不滿足于此。他們對自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)不斷改進(jìn)，使其能夠跟蹤在近地軌道快速移動的衛(wèi)星和太空碎片。
此前，用于追蹤太空碎片的激光多是紅外光，但是這種光并不可見。對比而言，安裝在空間望遠(yuǎn)鏡上的“向?qū)恰奔す馄骺梢詫⒊壬募す馐l(fā)射到夜空中，以創(chuàng)造出“人造恒星”，以便用以精確測量地球與太空之間的光畸變。
這種橙色的引導(dǎo)光，使自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)可以銳化空間碎片的圖像，并且還可以引導(dǎo)更強大的紅外激光束穿過大氣層，精確跟蹤空間碎片并將其安全地移出軌道，以避免與其他碎片發(fā)生碰撞并在大氣層中燃燒。在全球各地廣泛地布置類似激光系統(tǒng)，將大大降低太空垃圾與其他物體的碰撞幾率。
然而在政治上，該技術(shù)的應(yīng)用勢必會遇到很多阻力。盡管在太空垃圾的問題上進(jìn)行全球合作能夠帶來明顯的成效，但誤用變軌激光器很可能會造成外交難題。因此，在完善技術(shù)的同時，國家之間也需要在技術(shù)管制與國際空間法方面做出突破，以達(dá)成新的國際共識。幸運的話，澳大利亞國立大學(xué)的研究可能成為這一領(lǐng)域國際合作新規(guī)則的催化劑。
澳大利亞國立大學(xué)的研究在通信領(lǐng)域也有價值。其研究項目的一個商業(yè)合作伙伴，光電系統(tǒng)（EOS），希望利用該系統(tǒng)開發(fā)衛(wèi)星和地面之間的激光通信。總的來說，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)正在把激光變成太空探索中最有用的工具之一。
應(yīng)用激光技術(shù)清除太空垃圾
早在2014年，美國洛克希德·馬丁公司進(jìn)行了一項研究發(fā)現(xiàn)，每天大約有200個空間碎片威脅到空間站或者商業(yè)或軍用衛(wèi)星的安全運行。沿地球軌道運動的高速碎片被歐洲航天局的專家形容為“致命的、一連串的威脅”。
另據(jù)美國宇航局估計，在近地軌道上有超過50萬塊彈珠大小或更大的太空垃圾，它們的飛行速度可達(dá)每小時28164公里。這些垃圾碎片來自廢棄衛(wèi)星、空間站或太空物體碰撞。隨著國際空間站（ISS）和更多的衛(wèi)星送入近地軌道，這些垃圾碎片可能會構(gòu)成重大威脅。它們還可能突破大氣層飛向地面，對地球而言是一種潛在的危險。每年，近地軌道的高速碎片數(shù)量都在持續(xù)增加。人類送入太空的每顆衛(wèi)星最終都會變成另一塊圍繞地球運行的碎片，而且隨著時間的推移，這些碎片會堆積得越來越多。
中國科學(xué)家正在探索利用軌道激光站來爆破空間碎片的可能性。中國空軍工程大學(xué)的研究人員在此前發(fā)布的一篇論文中描述了研究成果：通過使用天基平臺激光器，空間碎片可以被激光輻照成更小的、危害沒那么大的碎片。在這項研究中，研究人員成功地模擬了一個軌道激光站，它能以每秒鐘發(fā)射出20次激光的速度瞄準(zhǔn)和撞擊10cm以下的空間碎片，整個過程僅持續(xù)2分鐘。這種撞擊可以推開太空垃圾，以防止碰撞。不過，目前這一方案還處于電腦模擬階段，真正進(jìn)行有效的測試還沒有被提上日程。而且，這種激光爆破方案并不是沒有問題。
2020年，俄航署宣布計劃將光學(xué)望遠(yuǎn)鏡改造成激光炮來清理太空垃圾。這種激光束通過加熱熔化清除太空碎片。該激光炮產(chǎn)生的激光束必須足夠強大，要能夠加熱至少160公里（100英里）外近地軌道上的物體。這臺望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)在研制中，其主要目的是監(jiān)測衛(wèi)星和漂浮在地球表面160公里至2000公里之間任何潛在的危險太空垃圾。
如果該項計劃最后能得以實施，俄羅斯建造的激光炮能清理近地軌道上的太空垃圾，每次清理一塊垃圾。作為俄羅斯聯(lián)邦航天局的一個分支，研究與生產(chǎn)公司精密系統(tǒng)公司的科學(xué)家旨在將一門巨型激光炮安裝在一個三米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡上。這臺激光炮將配備一個精心設(shè)計的機械裝置，并連接至望遠(yuǎn)鏡，利用一系列反射鏡、一個石英閃光管和一個固態(tài)發(fā)電機電源產(chǎn)生一束強大的激光束，足以蒸發(fā)漂浮在太空中的金屬碎片。
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