由于我们星球上有厚厚而蓬松的大气层，观测遥远的物体并不是一件容易的事。当光穿过我们大气层的上部时，它会发生折射和扭曲，使得辨别宇宙距离(数十亿光年外)的物体和邻近恒星系统(如系外行星)中的小物体变得更加困难。

下一代太空望远镜可以使用可变形镜子来成像地球大小的世界

对于天文学家来说，解决这个问题只有两种方法：将望远镜送入太空，或者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，NASA和ESA已将90多个太空望远镜发射到轨道上，其中29个仍然处于活动状态，因此可以肯定地说我们已经解决了这个问题。

但在未来几年，越来越多的地面望远镜将采用自适应光学器件(AO)，这将使它们能够进行尖端的天文学研究。这包括对系外行星的研究，下一代望远镜将能够使用日冕仪和自动调节镜直接观测系外行星。这将使天文学家能够直接从其大气层获取光谱并对其进行表征，以确定它们是否适合居住。

NASA正在通过其可变形镜技术项目寻求自适应光学的开发，该项目在加州理工学院喷气推进实验室进行，并由NASA天体物理部战略天体物理技术(SAT)和NASA小企业创新研究(SBIR)项目赞助。

该研究由JPL的EduardoBendek博士和NASA戈达德航天中心(GSFC)的TylerGroff博士领导，他们是DM技术路线图工作组的联合主席、BostonMicromachines(BMC)创始人兼首席执行官PaulBierden，以及自适应光学协会(AOX)项目经理KevinKing。

直接对系外行星成像

近年来，系外行星研究领域呈爆炸式增长，4,129个系统中的5,539个候选行星已得到确认，还有10,000多个候选行星正在等待确认。在众多候选行星中找到适合居住的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，该领域已经从发现过渡到表征。然而，迄今为止，大多数系外行星都是通过间接方法发现的。

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，从而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，很难解析那些轨道距离母恒星较近的较小的岩石行星(预计会在母恒星中发现类地行星)。

随着詹姆斯·韦伯等尖端望远镜以及超大望远镜(ELT)、巨型麦哲伦望远镜(GMT)和三十米望远镜(TMT)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米长的主镜、先进的光谱仪和日冕仪(阻挡星光的仪器)。可变形镜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，并消除任何残留的星光污染。

这是至关重要的，因为镜子之间的未对准或镜子形状的变化(即导致望远镜光学系统不稳定)可能会导致眩光，从而掩盖较小的岩石系外行星的探测。此外，探测类地行星需要数十皮米(pm)的极其精确的光学质量——大约是氢原子的大小。这需要对望远镜的镜子进行非常精确的实时控制，以纠正任何干扰源。

可变形镜子

可变形镜(DM)依靠精确控制的手枪式执行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，以纠正外部扰动(如大气湍流)或望远镜中的光学失准或缺陷。

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加热和冷却时发生的非常小的光学扰动。

地基变形镜已经过测试并提供最先进的性能，但未来任务将使用的天基变形镜还需要进一步开发。

目前正在为太空任务开发两种主要的DM执行器技术：电致伸缩技术和静电驱动微机电系统(MEMS)。对于前者，执行器机械连接到DM，并在施加电压时收缩以修改镜子的表面。后者由因电极和镜子之间的静电力而变形的镜子表面组成。

NASA资助的多个承包商团队正在推进DM技术，包括BostonMicromachinesCorporation(BMC)制造的MEMSDM和AOAXinetics(AOX)制造的电致伸缩DM。两个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并获得了航天资格。

虽然地面DM已经验证了该技术(例如双子座天文台的BMC日冕仪仪器)，但必须采取措施为未来的太空望远镜开发DM。

未来的天文台

NASA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(RST)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观测站(HabEx)打造一个更加复杂的系统。NASA提议的这项任务将直接对类日恒星周围的行星系统进行成像(计划于2035年发射)。HWO将需要具有多达约10,000个执行器的DM，每个执行器都将依赖于高压连接，这将是设计的一项重大挑战。

HWO还将涉及前所未有的低至个位数皮米的波前控制要求以及约晚上10点/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。确保这一点需要实施滤波器来消除任何电子噪声。

这项工作将由NASA天体物理部门负责监督，该部门正在制定技术路线图，以进一步提高DM性能，从而实现HWO。