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レーザーガイドスターは、天体観測用補償光学システムで使用するために作成された人工の星像です。補償光学システムは、天体シーイングと呼ばれる現象による光の大気による歪みを補正するために、大型望遠鏡で使用されます。補償光学（AO）システムには、ガイドスターと呼ばれる波面基準光源が必要です。自然の星は、この目的のための点光源として使用できますが、十分に明るい星は空のあらゆる場所に現れるほど一般的ではないため、これらの領域での補償光学の有用性が制限されます。これを補うために、地球の大気にレーザーを照射することで人工ガイドスターを作成できます。ビームからの光は、上層大気の成分によって反射され、望遠鏡に戻ります。この星は、望遠鏡が指したい場所に配置できるため、補償光学で観測できる空の領域が大幅に広がります。
レーザー光は上昇中に天体観測によるシーイングで偏向されるため、戻ってくるレーザー光は天体のように空を移動しません。天体画像を安定させるためには、空の近くにある自然星を監視し、ティルトミラーを使ってレーザーガイド星の動きを差し引く必要があります。しかし、この星はティルトとティルトのみを測定するために使用され、高次の歪みはすべてレーザーガイド星で測定されるため、自然ガイド星を用いた補償光学に必要な明るさよりもはるかに暗くても構いません。つまり、より多くの星が適しており、それに伴い、観測可能な空の領域も大きくなります。
レーザー誘導星システムには、ナトリウム誘導星とレイリー誘導星という2つの主要なタイプがある。
ナトリウムビーコンは、高度約90km （56マイル）の中間圏にあるナトリウム層の原子を、波長589.2ナノメートルのレーザー光で励起することによって作られます。励起されたナトリウム原子はレーザー光を再放出し、光り輝く人工の星を作り出します。このナトリウム原子の遷移は、街路灯用のナトリウムランプにも利用されています。
レイリービーコンは、下層大気中の分子による光の散乱を利用します。ナトリウムビーコンとは対照的に、レイリービーコンははるかにシンプルで低コストですが、人工ビーコンが大気のより低い層で生成されるため、波面基準としてはナトリウムビーコンほど精度が高くありません。レーザーはパルス状に照射されることが多く、大気の測定は時間ゲート方式で行われます（パルス照射後数マイクロ秒後に測定が行われるため、地表付近で散乱した光は無視され、大気圏上層部まで数マイクロ秒かけて往復した光のみが検出されます）。
色素レーザーは、レーザーガイドスター用途で最初に使用されたレーザー光源でした。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] これらの波長可変レーザーは、この分野で重要な役割を果たし続けています。[ 7 ] [ 8 ]しかし、流体利得媒体の使用は、一部の研究者によって不利であると考えられています。[ 9 ]ナトリウムガイドスター用途の第2世代レーザー光源には、和周波混合固体レーザーが含まれます。[ 10 ]波長可変ダイオードレーザーとそれに続く狭帯域ラマンファイバー増幅および共振周波数変換に基づく新しい第3世代レーザーシステムは、2005年から開発されています。2014年以降、完全に設計されたシステムが市販されています。[ 11 ]ここで言及されている波長可変レーザーの重要な出力特性には、回折限界ビーム発散と狭線幅発光が含まれます。[ 6 ]
大気による歪みを補正するための適応光学で使用されるナトリウムレーザーガイドスターは、戦略防衛構想の一環として、1982年にプリンストン大学の物理学者ウィル・ハッパーによって発明されたと考えられているが、当時は機密扱いだった。 [ 12 ]
レーザーガイドスター適応光学系はまだ非常に若い分野であり、現在、技術開発に多大な努力が注がれています。2006 年時点では、科学観測に定期的に使用され、査読付き科学文献に発表された結果に貢献したレーザーガイドスター AO システムは、カリフォルニア州のリック天文台とパロマー天文台、およびハワイのケック天文台の 2 つだけでした。しかし、レーザーガイドスターシステムは、ウィリアム ハーシェル望遠鏡、超大型望遠鏡、ジェミニ北望遠鏡など、ほとんどの主要な望遠鏡で開発中でしたが、レーザーを空でテストしたものの、まだ定期的な運用には至っていませんでした。2006 年時点でレーザー AO システムを開発していた他の天文台には、大型双眼望遠鏡とグラン テレスコピオ カナリアスがあります。超大型望遠鏡のレーザーガイドスターシステムは、2007 年 6 月に定期的な科学運用を開始しました。[ 13 ]
2016 年 4 月以降、[ 14 ] 4 レーザーガイドスター施設 (4LGSF) が ESO の超大型望遠鏡(VLT) [ 15 ]に適応光学施設 (AOF) [ 16 ]の新しいサブシステムとして設置されています。4LGSFは VLT レーザーガイドスター施設 (LGSF) の補完です。単一のレーザービームの代わりに、4LGSF は 4 つのレーザービームをチリ北部のパラナルの空に伝播させ、 高度 90 km の大気中にあるナトリウム原子を照射して 4 つの人工星を生成します。これらの 4 つの星により、特定の方向でより良い補正を得たり、適応光学によって補正された視野を広げたりすることができます。各レーザーは直径30 cm (12インチ)で 22 ワットの出力を出力します。4LGSF レーザーシステムは、ESO で開発され産業界に移転されたファイバー ラマン レーザー技術に基づいています。[ 17 ] [ 18 ]
ファイバーラマンレーザー技術を用いた4つのレーザーへのアップグレードは、パラナル天文台の新しい機器[ 15 ] 、例えばHAWK-I（GRAAL搭載）[ 19 ]やMUSE（GALACSI搭載）[ 20 ]をサポートするために必要である。また、4LGSFでは安定性が向上し、予防保守サポートの量と観測実行準備時間は、現在もオリジナルの色素レーザーを使用しているLGSF（ファイバーレーザーへの交換が計画されている）と比較して大幅に短縮される。4LGSFは、天文学者がE-ELT [ 21 ]用のデバイスをテストするのに役立ち、 E-ELTは望遠鏡の適応光学系をサポートする同様のシステムを備えることになる。その出力から、4LGSFの運用はあらゆるリスクを回避するためのプロトコルに従う。レーザーシステムには、航空機がビームに近づきすぎるとレーザーを停止する自動航空機回避システムが装備されている。
2025年12月以降、パラナル天文台の残りの3つのユニット望遠鏡には1つのレーザーが搭載されています。これにより、超大型望遠鏡干渉計にレーザー支援適応光学系を使用することが可能になり、VLTIの感度と天空範囲が大幅に向上します[ 22 ]。
ナトリウムレーザーガイドスターには、克服すべき主な課題が 3 つあります。ラーモア歳差運動、反跳、遷移飽和です。[ 23 ]ラーモア歳差運動は、地磁気場におけるナトリウム原子の歳差運動（正確には、原子の量子化された全原子角運動量ベクトルの歳差運動）であり、円偏光による光ポンピングによって 2 準位サイクル遷移が確立される前に原子の角運動量を変化させることで、レーザーガイドスターの原子蛍光を減少させます。自発放出による反跳は、原子に運動量キックをもたらし、原子に対してレーザー光に赤方偏移を引き起こし、原子がレーザー光を吸収できなくなり、したがって蛍光を発することができなくなります。遷移飽和は、より高い角運動量の状態 (F=2) からより低い角運動量の状態 (F=1) への原子の減少であり、異なる吸収波長をもたらします。[ 23 ]