干涉测量法是一种利用光波产生干涉图案的技术，通过分析干涉图案可以极其精确地测量距离、形状和表面特征。

由于干涉测量法能够提供高分辨率并检测出非常微小的变化，因此它对于推动天文学的发展至关重要。

它在研究遥远而复杂的太空区域方面发挥着至关重要的作用，例如年轻恒星形成的区域或黑洞存在的区域，这两者都需要卓越的空间分辨率。

如今，干涉测量法是生成太空探索和未来天文发现所需的清晰、高质量图像的关键。

什么是干涉测量法？

干涉测量法是将光波叠加以产生干涉。干涉仪由光源、分束器和参考面组成。来自光源的光束被分成不同的光波。光波重新组合时，波的振幅和相位差会导致光强度的变化。

强度相当且同相的光波会引起相长干涉，使光强度增加4倍。反相的光波会引起相消干涉。

干涉图样由明暗带组成，这是由于干涉相长和干涉相消现象造成的。通过分析干涉图样，专家可以准确估算光程差。

干涉仪的类型

根据应用和设置，可以使用不同类型的干涉仪。马赫-曾德尔干涉仪使用两个分束器来分离和重新组合光束，从而产生两个输出。它还允许调整光程差，以便在需要时将所有光线引导至单个输出。

迈克尔逊干涉仪由阿尔伯特·A·迈克尔逊发明，仅使用一个分束器。迈克尔逊早期对宽带光源的实验促成了臂长差几乎为零的干涉仪的开发。

另一种广泛使用的设计是法布里-珀罗干涉仪，其中两个平行的反射镜彼此相对放置。这种装置允许光波在反射镜之间进行多次往返。光波通过该光学腔体时会产生尖锐的共振，从而有助于提高高分辨率光谱的精度和准确度。

为什么干涉测量法对太空望远镜如此有价值？

克服分辨率限制

在太空观测中，较短的波长通常能提供更好的角分辨率。然而，我们无法随意选择任何波长来研究遥远的物体——许多目标要么太暗，要么只发射特定波长的光。

这种限制意味着传统的成像技术（如传统望远镜所使用的技术）对其能够分辨的细节数量存在严格的限制。

20世纪60年代，甚长基线干涉测量（VLBI）彻底改变了天文学。通过连接远距离的多个天线，天文学家可以显著提高角分辨率，从而创建比以往更清晰、更细致的图像。

VLBI 还通过增加总收集面积来提高灵敏度，使干涉测量法成为对遥远天文物体进行成像的最有效方法之一。

对太空探索的重要性

在太空天文学中，望远镜的分辨率与其口径直接相关。更大的镜面可以提供更好的分辨率，但建造更大的望远镜面临着巨大的挑战。重力会导致光学畸变，而扩大镜面尺寸在技术上非常困难，成本也非常高昂。

干涉测量法提供了一种突破这些限制的方法。通过将多台小型望远镜连接起来，形成一台大型“虚拟”望远镜，科学家无需使用物理上庞大的结构就能获得高分辨率。

在这些阵列中，望远镜之间的距离（称为基线）决定了有效分辨率，而不是每个单独单元的大小。

在天文观测中，干涉仪会将来自多个望远镜的光线组合起来，形成干涉图样。通过分析这些图样的振幅和相位，天文学家可以提取有关遥远恒星、系外行星和星系的大小、亮度和结构的详细信息。

这种方法使高分辨率成像对于下一代太空任务更加实用、可扩展且具有成本效益。

空间干涉测量任务的关键示例

早期干涉测量任务

20 世纪 90 年代末，太空干涉测量技术成为 NASA 和欧洲航天局 (ESA) 关注的焦点。NASA 的首个空间干涉测量任务 (SIM) 是其重要的里程碑。该任务围绕一台 10 米迈克尔逊恒星干涉仪设计，旨在实现 4 微米级的天文测量精度。

大约在同一时间，欧空局启动了达尔文项目，探索利用零点干涉法直接探测系外行星。零点干涉技术可以抑制来自中心恒星的光，从而更容易测量附近行星的温度和表面特性。

在远红外干涉测量领域，美国宇航局提出了空间红外干涉望远镜（SPIRIT）的概念，这是一种 36 米的结构连接仪器，于 2004 年被选为起源探测器的潜在任务进行研究。

2006年，欧洲航天局（ESA）的并行设计设施（CDF）开始研究远红外干涉仪（FIRI）的概念。大约在同一时间，ESA也探索了ESPIRIT，这是一个相关的构想，涉及一个带有大型自由飞行收集卫星的异差远红外干涉仪。

盖亚：绘制银河系地图

欧洲航天局的盖亚航天器自 2014 年投入运行，是另一个重要的例子。

盖亚并非传统的干涉仪，它运用精确的光学测量和干涉技术，勘测了超过20亿颗恒星，构建了迄今为止最详细的银河系3D地图。其数据有助于解答有关银河系形成和演化的重要问题。

LISA：太空激光干涉测量的未来

激光干涉空间天线 (LISA) 项目代表了空间干涉测量技术的一大进步——它将成为太空中第一个引力波观测站。

LISA计划于2030年代发射，由三架飞行器组成，呈三角形编队飞行，臂长250万公里。LISA将利用激光干涉测量技术，探测并测量来自合并黑洞和中子星等源头的引力波，为“看不见的”宇宙提供新的见解。

LISA 的高灵敏度探测器将覆盖 0.1 毫赫兹至 0.1 赫兹范围内的低频引力波——这是 LIGO 等地面天文台无法探测到的频谱范围。

天基干涉测量的挑战

尽管空间干涉测量技术取得了稳步进展，但仍面临重大技术挑战。实现超高分辨率和精度需要克服光学控制、数据处理和环境条件等诸多问题。

一个关键的难题是开发能够在宽频率范围内可靠工作的高度可调、相干光源。许多设计还依赖于低温放大器，而低温放大器会消耗大量功率，进一步增加航天器操作的复杂性。

数据处理是另一个重大障碍。整合来自多个望远镜的信号需要极其精确地计算相干性和时间延迟，这需要强大的机载处理器。长期安全地存储大量数据同样具有挑战性，因为像太阳耀斑这样的辐射事件可能会威胁到敏感设备。

这些因素意味着空间干涉测量任务必须经过精心规划和设计，以应对苛刻的操作环境。

尽管如此，该领域仍保持着强劲的发展势头。远红外干涉测量技术的最新进展，例如SHARP-IR小型干涉仪的成功研发，令人们对未来充满信心。

系统级演示正在帮助研究人员解决关键挑战，目标是在未来几年建立更可靠、更强大的太空干涉测量任务。

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