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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(yuǎn)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(yuǎn)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(xué)的研究人員開發(fā)出了一種巧妙的數(shù)學(xué)解決方案，可能會讓地基望遠(yuǎn)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(dǎo)致來自遙遠(yuǎn)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(biāo)，這就會帶來一個嚴(yán)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(xì)節(jié)或在最終圖像中引入人工顆粒感的情況下進(jìn)行處理。

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

圖片來源：斯威本天文學(xué)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(jìn)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(fù)雜的數(shù)學(xué)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(dǎo)這項研究的天文學(xué)家兼數(shù)學(xué)家塔馬斯·布達(dá)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(yuǎn)鏡能夠探測到更暗、更遙遠(yuǎn)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(xué)家亞什爾·蘇庫爾迪普（Yashil Sukurdeep）將其描述為學(xué)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(xué)技術(shù)，該技術(shù)被改進(jìn)后專門用于天文應(yīng)用。

位于夏威夷毛納基亞的斯巴魯望遠(yuǎn)鏡

圖片來源：丹尼斯

使用夏威夷斯巴魯望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)進(jìn)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(yuǎn)星系的螺旋結(jié)構(gòu)等復(fù)雜細(xì)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(xué)家永遠(yuǎn)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(jī)Hyper Suprime-Cam（安裝在斯巴魯望遠(yuǎn)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(xué)

時機(jī)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(jìn)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(yuǎn)星系的形狀以及探測由引力效應(yīng)引起的細(xì)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(xué)收益。

可以說，空間望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(jìn)行成像。通過ImageMM處理這些數(shù)百次的觀測，天文學(xué)家最終可能會實現(xiàn)接近太空望遠(yuǎn)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(zé)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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