下一代太空望远镜可以使用可变形的镜子来成像地球大小的世界

　　观察遥远的物体并非易事，这要归功于我们星球厚而蓬松的大气层。当光穿过大气层的上游时，它会被折射和扭曲，这使得辨别宇宙距离的物体和邻近恒星系统中的小物体变得更加困难。对于天文学家来说，只有两种方法可以克服这个问题：将望远镜送入太空或为望远镜配备可以调整以补偿大气扭曲的镜子。

　　自 1970 年以来，美国宇航局和欧空局已经将 90 多台太空望远镜送入轨道，其中 29 台仍然活跃，所以可以肯定地说我们已经涵盖了这一点!但在未来几年，越来越多的地面望远镜将采用自适应光学，这将使它们能够执行尖端的天文学。这包括对系外行星的研究，下一代望远镜将能够使用冠冕仪和自调节镜直接观测。这将使天文学家能够直接从它们的大气层中获得光谱，并对它们进行表征，看看它们是否适合居住。

　　美国宇航局正在通过其可变形镜技术项目开发自适应光学器件，该项目在加州理工学院喷气推进实验室进行，并由美国宇航局天体物理学部战略天体物理技术和美国宇航局小企业创新研究计划赞助。该研究由JPL的Eduardo Bendek博士和NASA戈达德太空飞行中心的Tyler Groff博士领导，他们是DM技术路线图工作组的联合主席，波士顿微机公司创始人兼首席执行官Paul Bierden和Adaptive Optics Associates项目经理Kevin King。

　　直接对系外行星进行成像

　　近年来，系外行星研究领域呈爆炸式增长，在5539个系统中确认了4129个候选者，还有10000多个等待确认。在众多候选行星中寻找宜居行星对于解决有史以来最大的谜团之一至关重要：我们在宇宙中是孤独的吗?由于仪器、高级分析和数据共享的进步，该领域一直在从发现过渡到表征。然而，迄今为止，大多数系外行星都是使用间接方法发现的。

　　为了有效地做到这一点，科学家需要能够直接观察系外行星。这被称为直接成像方法，天文学家研究直接从系外行星大气和/或表面反射的光。然后用光谱仪分析这种光以确定其化学成分，使天文学家能够限制宜居性。不幸的是，由于恒星发出的强烈眩光，很难解决更靠近其母星的较小岩石行星的轨道 - 这是预期发现类地行星的地方。

　　随着詹姆斯·韦伯等尖端望远镜以及超大望远镜、巨型麦哲伦望远镜和三十米望远镜等下一代阵列的出现，这种情况可能会改变。这些地面阵列将结合30米主镜、先进的光谱仪和冠冕仪。可变形的镜子是日冕仪的重要组成部分，因为它们可以纠正望远镜中最微小的缺陷并去除任何残留的星光污染。

　　这是必不可少的，因为镜子之间的错位或镜子形状的变化——即导致望远镜光学元件的不稳定——会导致眩光，从而掩盖对较小的岩石系外行星的探测。此外，探测类地行星需要极其精确的光学质量，达到10皮米——大约相当于一个氢原子的大小。这需要非常精确地实时控制望远镜的反射镜，以校正任何干扰源。

　　可变形镜子

　　可变形反射镜靠精确控制的手枪式致动器来改变反射镜的形状。对于地面望远镜，DM允许它们调整入射光的光路，以校正外部扰动或望远镜中的光学错位或缺陷。对于太空望远镜，DM不需要校正地球大气层，而是需要校正太空望远镜及其仪器在轨道上升温和降温时发生的非常小的光学扰动。

　　地面可变形反射镜已经过测试，并提供了最先进的性能，但未来任务将使用的天基DM需要进一步发展。目前正在为空间任务开发两种主要的DM执行器技术：电致伸缩技术和静电强制微机电系统。对于前者，致动器以机械方式连接到DM，并在施加电压时收缩以修改镜子的表面。后者由电极和镜子之间的静电力变形的镜面组成。

　　美国宇航局赞助的几个承包商团队正在推进DM技术，包括波士顿微机械公司制造的MEMS DM和AOA Xinetics制造的电致伸缩DM。两款BMC反射镜都经过了真空条件下的测试，并进行了发射振动测试，而AOX反射镜也经过了真空测试，符合航天飞行的条件。虽然地面DM已经验证了这项技术 - 就像BMC在双子座天文台的日冕仪一样 - 但必须采取措施为未来的太空望远镜开发DM。

　　未来展望台

　　美国宇航局计划通过计时技术演示器来展示DM的有效性，该演示器将于2027年5月在南希·格雷斯·罗马太空望远镜上发射。从这次演示中吸取的经验教训将有助于为宜居世界天文台建立一个更复杂的系统。美国宇航局的这项拟议任务将直接对类太阳恒星周围的行星系统进行成像。HWO 将需要具有多达 10000 个执行器的 DM，每个执行器都将依赖于高压连接——这将是设计面临的一个重大挑战。

　　HWO还将涉及前所未有的波前控制要求，低至个位数皮米和约10pm/小时的稳定性。这些要求不仅将推动DM技术的发展，还将推动控制它们的电子设备的发展，因为分辨率和稳定性在很大程度上取决于控制器发送的命令信号的质量。要确保这一点，就需要安装滤波器来消除任何电子噪声。这项工作将由美国宇航局的天体物理学部门监督，该部门正在准备一份技术路线图，以进一步提高DM性能，以实现HWO。