Prilagodljiva optika: kako videti zvezde na nebu?

Poskus, ki je vdihnil novo življenje znanosti o vesolju, ni bil izveden v slovitem observatoriju ali na velikanskem teleskopu. Strokovnjaki so o njem izvedeli iz članka Uspešni preizkusi prilagodljive optike, ki je izšel leta 1989 v astronomski reviji The Messenger. Predstavljeni so bili rezultati preskusov elektro-optičnega sistema Come-On, zasnovan za popravljanje atmosferskih izkrivljanj svetlobe iz vesoljskih virov. Izvedeni so bili od 12. do 23. oktobra na 152 cm reflektorju francoske opazovalnice OHP (Observatoire de Haute-Province). Sistem je deloval tako dobro, da so avtorji članek začeli z izjavo, da so se "dolgoletne sanje astronomov, ki delajo na zemeljskih teleskopih, končno uresničile zahvaljujoč ustvarjanju nove tehnike optičnega opazovanja - prilagodljive optike."

In po nekaj letih so se prilagodljivi optični sistemi (AO) začeli postavljati na velika orodja. Leta 1993 so v Čilu opremili 360-centimetrski teleskop Evropskega južnega observatorija (ESO), nekoliko kasneje - isti instrument na Havajih, nato pa 8-10-metrski teleskop. Zahvaljujoč AO lahko zemeljske instrumente uporabljamo za opazovanje svetil v vidni svetlobi z ločljivostjo, ki je bila le del vesoljskega teleskopa Hubble, in še višje infrardeče žarke. Na primer, na območju bližnje infrardečega območja z valovno dolžino 1 μm, kar je zelo koristno za astronomijo, Hubble zagotavlja ločljivost 110 kotnih ms, 8-metrski ESO teleskopi pa do 30 ms.

Ko so francoski astronomi testirali svoj AO sistem, so podobne naprave že obstajale v ZDA. A sploh niso bili ustvarjeni za potrebe astronomije. Pentagon je bil naročnik teh dogodkov.

Oči Sheka-Hartmanovega senzorja AO delujejo na naslednji način: zapuščajo optični sistem teleskopa, svetloba prehaja skozi rešetko iz majhnih leč, ki ga usmerja v CCD. Če bi sevanje kozmičnega vira ali umetne zvezde razmnoževalo v vakuumu ali v idealno mirnem ozračju, bi ga vsi mini objektivi usmerili natančno v središče dodeljenih pik. Zaradi atmosferskih vrtincev se točke konvergence žarkov "sprehajajo" po površini matrike, kar nam omogoča, da sami rekonstruiramo motnje.

Kadar je zrak ovira

Če skozi teleskop opazujete dve zvezdi, ki se nahajata na nebu zelo blizu drug drugega, se njune slike združijo v eno svetlobno točko. Najmanjša kotna razdalja med takšnimi zvezdami je zaradi valovne narave svetlobe (meja difrakcije) ločljivost naprave in je sorazmerna valovni dolžini svetlobe ter obratno sorazmerna s premerom (odprtino) teleskopa. Torej, pri trimetrskem reflektorju, ko opazujemo pri zeleni svetlobi, je ta meja približno 40 kotnih ms, za 10-metrski reflektor pa nekaj več kot 10 ms (pod takim kotom je majhen kovanec viden z razdalje 2000 km).

Vendar so te ocene veljavne samo za opažanja v vakuumu. V Zemljini atmosferi nenehno nastajajo odseki lokalnih turbulenc, ki nekaj sto krat na sekundo spreminjajo gostoto in temperaturo zraka in s tem tudi njegov lomni indeks. Zato se v ozračju neizogibno širi prednji del svetlobnega vala iz kozmičnega vira. Kot rezultat, je resnična ločljivost običajnih teleskopov v najboljšem primeru 0, 5-1 sekunde loka in ne dosega difrakcijske meje.

Grobljanje ozračja Predhodno so bile velikosti popravljenih območij neba omejene na celice s stranico 15 kotnih ms. Marca 2007 je bila večkratna prilagodljiva optika (MCAO) prvič preizkušena na enem od teleskopov ESO. Sondira turbulenca na različnih višinah, kar je omogočilo povečanje velikosti popravljenega vidnega polja na dve ali več kotnih minut. "Zmogljivosti AO so se v tem stoletju močno razširile, " pravi Claire Max, profesorica astronomije in astrofizike, direktorica Centra za prilagodljivo optiko, kalifornijska univerza v Santa Cruzu. - Na velikih teleskopih so nameščeni sistemi z dvema in tremi deformabilnimi ogledali, ki vključujejo IADC. Pojavili so se novi senzorji valovnih plošč in močnejši računalniški programi. Izdelana so ogledala z mikroelektromehanskimi aktuatorji, ki omogočajo boljše in hitrejše spreminjanje oblike odsevne površine kot aktuatorji na piezoelektriki. V zadnjih letih so bili razviti in preizkušeni eksperimentalni sistemi prilagodljive optike za več objektov (MOAO), s katerimi lahko hkrati spremljate do deset ali več virov na vidnem polju s premerom 5–10 ločnih minut. Nameščeni bodo na teleskopih nove generacije, ki bodo začeli delati v naslednjem desetletju. "

Vodilne zvezde

Predstavljajte si napravo, ki analizira svetlobne valove, ki se skozi teleskop prenašajo stokrat na sekundo, da zazna sledi atmosferske turbulence in po teh podatkih spremeni obliko deformabilnega zrcala, postavljenega v žarišče teleskopa, da nevtralizira atmosferski hrup in idealno naredi sliko predmeta "vakuumsko". V tem primeru je ločljivost teleskopa omejena izključno z mejo difrakcije.

Vendar obstaja ena tankočutnost. Ponavadi je svetloba oddaljenih zvezd in galaksij prešibka za zanesljivo obnovo valovoda. Druga stvar je, če je v bližini opazovanega predmeta svetel vir, žarki iz katerega gredo v teleskop skoraj na enak način - jih lahko uporabimo za branje atmosferskega hrupa. Takšno shemo (v nekoliko okrnjeni obliki) so leta 1989 preizkusili francoski astronomi. Izbrali so več svetlih zvezd (Deneb, Capella in drugi) in s pomočjo prilagodljive optike resnično izboljšali kakovost svojih slik, ko jih opazujemo v infrardeči svetlobi. Kmalu so takšne sisteme, ki uporabljajo vodilne nebesne zvezde, začeli uporabljati na velikih teleskopih za realna opazovanja.

Toda na zemeljskem nebu je malo svetlih zvezd, zato je ta tehnika primerna za opazovanje le 10% nebesne krogle. Če pa narava na pravem mestu ni ustvarila primerne svetilke, lahko ustvarite umetno zvezdo - z laserjem povzročite, da se atmosfera sveti na visoki nadmorski višini, kar bo postalo referenčni vir svetlobe za kompenzacijski sistem.

To metodo sta leta 1985 predlagala francoska astronoma Renault Foix in Antoine Labeiree. Približno v istem času sta do podobnih zaključkov prišla tudi njuna kolega iz ZDA Edward Kibblewight in Laird Thomson. Sredi devetdesetih let so se na teleskopih srednje velikosti v observatoriju Lick v ZDA in v observatoriju Calar Alto v Španiji pojavili laserski oddajniki v paru z AO opremo. Vendar je ta tehnika potrebovala približno deset let, da je našla uporabo na 8-10-metrskih teleskopih.

Izvršilni element sistema prilagodljive optike je deformabilno ogledalo, upognjeno s pomočjo piezoelektričnih ali elektromehanskih pogonov (aktuatorjev) po ukazih krmilnega sistema, ki sprejema in analizira podatke o popačenju senzorjev valovnih čel.

Vojaški interes

Zgodovina prilagodljive optike ima ne le očitno, ampak tudi skrivno plat. Januarja 1958 je Pentagon ustanovil novo strukturo, Urad za napredne obrambne raziskovalne projekte - Agencija za napredne raziskovalne projekte ARPA (danes DARPA), odgovoren za razvoj tehnologij za nove generacije orožja. Ta oddelek je igral prvovrstno vlogo pri ustvarjanju prilagodljive optike: za opazovanje sovjetskih orbitalnih vozil so bili potrebni teleskopi, neobčutljivi za atmosferske motnje z najvišjo ločljivostjo, v prihodnosti pa je bila upoštevana naloga ustvarjanja laserskega orožja za uničenje balističnih raket.

Sredi šestdesetih let prejšnjega stoletja je bil pod nadzorom ARPA sprožen program za preučevanje atmosferskih motenj in interakcij laserskega sevanja z zrakom. To je bilo storjeno v raziskovalnem centru RADC (Rome Air Development Center), ki se nahaja v letalski bazi Griffis v zvezni državi New York. Zmogljivi reflektorji, nameščeni na bombnike, ki so leteli nad vadbenim terenom, so bili uporabljeni kot referenčna lučka in bila je tako impresivna, da so se prestrašeni prebivalci včasih obrnili na policijo!

Spomladi 1973 sta ARPA in RADC sklenila pogodbo o zasebni korporaciji Itec Optical Systems, ki je sodelovala pri razvoju instrumentov, ki kompenzirajo razpršitev svetlobe z atmosferskimi motnjami v okviru programa RTAC (Real-Time Atmospheric Compensation). Zaposleni v Itecu so ustvarili vse tri glavne komponente AO - interferometer za analizo motenj svetlobe spredaj, deformabilno ogledalo za njihovo odpravljanje in nadzorni sistem. Prvo ogledalo z dvema palčnim premerom je bilo narejeno iz stekla, prevlečenega z odsevnim aluminijastim filmom. V osnovno ploščo so bili vgrajeni piezoelektrični aktuatorji (21 kosov), ki so pod vplivom električnih impulzov sposobni skrčiti in podaljšati za 10 mikronov. Že prvi laboratorijski testi, opravljeni v istem letu, so pričali o uspehu. In naslednje poletje je nova serija preskusov pokazala, da lahko eksperimentalna oprema laserski žarek popravi že na nekaj sto metrih razdalj.

Teh čisto znanstvenih eksperimentov še nismo razvrstili. Vendar je bil leta 1975 v interesu Pentagona odobren zaprt program CIS (Kompenzacijski slikovni sistem) razvoja AO. V skladu z njim so bili ustvarjeni naprednejši senzorji valovnih čel in deformabilna ogledala s stotinami aktuatorjev. Ta oprema je bila nameščena na 1, 6-metrskem teleskopu, ki se nahaja na vrhu gore Haleakala na havajskem otoku Maui. Junija 1982 je bilo z njegovo pomočjo prvič mogoče dobiti fotografije umetnega zemeljskega satelita sprejemljive kakovosti.

Z laserskim vidom

Čeprav so se poskusi na Mauiju nadaljevali še nekaj let, se je razvojni center preselil na posebno območje letalske baze Kirtland v Novi Mehiki, na tajno vadbeno igrišče Sandia Optical Range (SOR), kjer so dolgo delali z laserskim orožjem. Leta 1983 je skupina, ki jo je vodil Robert Fugate, začela eksperimente, v katerih je preučevala lasersko skeniranje atmosferskih nehomogenosti. To idejo je leta 1981 predstavil ameriški fizik Julius Feynleib, zdaj pa jo je bilo treba preizkusiti v praksi. Feinleib je predlagal uporabo elastičnega (Rayleighovega) razprševanja kvantov svetlobe z atmosferskimi nehomogenostmi v AO sistemih. Nekateri razpršeni fotoni se vrnejo do točke, od koder so odšli, v ustreznem delu neba pa se pojavi značilen sijaj skoraj točkovnega vira - umetne zvezde. Fugate in sodelavci so na poti proti Zemlji zabeležili izkrivljanja valovnega dela odsevanega sevanja in jih primerjali s podobnimi vznemirjenji zvezdne svetlobe, ki prihajajo iz istega neba. Motenja so se izkazala za skoraj enaka, kar je potrdilo možnost uporabe laserjev za reševanje AO težav.

Za te meritve ni bila potrebna kompleksna optika - dovolj je bilo preprostih zrcalnih sistemov. Za zanesljivejše rezultate pa so jih morali ponoviti na dobrem teleskopu, ki so ga na SOR-ju namestili leta 1987. Fugate in njegovi pomočniki so na njem izvedli poskuse, med katerimi se je rodila adaptivna optika z umetnimi zvezdami. Februarja 1992 je bila pridobljena prva bistveno izboljšana podoba nebesnega telesa - Betelgeuse (najsvetlejša zvezda v ozvezdju Orion). Kmalu so zmožnosti metode dokazali na fotografijah številnih zvezd, prstanov Saturna in drugih predmetov.

Skupina Fugate je vžgala umetne zvezde z mogočnimi laserji iz bakrenih hlapov, ki so ustvarili 5000 impulzov na sekundo. Tako visoka hitrost bliskavice vam omogoča skeniranje tudi najkrajšega trajanja turbulenc. Interferometrične senzorje valovnih črt je nadomestil naprednejši senzor Sheck-Hartman, izumljen v začetku sedemdesetih let prejšnjega stoletja (mimogrede, tudi po naročilu Pentagona). Zunanje ogledalo 241, ki ga dobavlja Itec, bi lahko spremenilo obliko 1664 krat na sekundo.

Dvignite se višje

Rayleighovo sipanje je precej šibko, zato se vzbuja v višini 10–20 km. Žarki umetne referenčne zvezde se razhajajo, žarki iz veliko bolj oddaljenega kozmičnega vira pa so strogo vzporedni. Zato so njihove valovne fronte v turbulentni plasti izkrivljene ne povsem enako, kar vpliva na kakovost popravljene slike. Lučke svetilnikov je bolje prižgati na večji nadmorski višini, vendar mehanizem Rayleigh tukaj ni primeren.

Spomladi leta 1991 se je Pentagon odločil, da bo odstranil tajnostni žig iz večine del na področju prilagodljive optike. Deklasificirani rezultati osemdesetih so postali last astronomov.

To težavo je leta 1982 rešil profesor z univerze Princeton Will Harper. Predlagal je, da se izkoristi dejstvo, da se v mezoferi na nadmorski višini približno 90 km tam nabira veliko natrijevih atomov zaradi zgorevanja mikrometeoritov. Harper je predlagal, da bi vzbudil resonančno oddajanje teh atomov z laserskimi impulzi. Intenzivnost takega sijaja pri enaki moči laserja je štiri zaporedja večja od svetlobne jakosti med Rayleighovim sipanjem. To je bila le teorija. Njegova praktična izvedba je postala mogoča zaradi prizadevanj zaposlenih v laboratoriju Lincoln, ki se nahaja v letalski bazi Hansky v Massachusettsu. Poleti leta 1988 so prejeli prve slike zvezd, narejene z uporabo mezosfernih svetilnikov. Vendar kakovost fotografij ni bila visoka, izvedba metode Harper pa je zahtevala več let poliranja.

Leta 2013 je bil edinstven Gemini Planet Imager uspešno preizkušen za foto in spektrografijo eksoplanetov, zasnovan za Gemini osemmetrske teleskope. Omogoča uporabo AO za opazovanje planetov, katerih navidezna svetlost je milijone krat manjša od svetlosti zvezd, okoli katerih se vrtijo.

Spomladi leta 1991 se je Pentagon odločil, da bo odstranil tajnostni žig iz večine del na področju prilagodljive optike. Prva sporočila o tem so bila objavljena maja na konferenci Ameriškega astronomskega združenja v Seattlu. Kmalu so sledile objave revij. Čeprav se je ameriška vojska še naprej ukvarjala s prilagodljivo optiko, so razglašeni rezultati iz osemdesetih postali last astronomov.

Odlična izravnava

"AO je prvič omogočil prizemnim teleskopom pridobiti podatke o zgradbi zelo oddaljenih galaksij, " pravi Claire Max, profesorica astronomije in astrofizike z univerze v Santa Cruzu. - Pred nastopom AO ere jih je bilo mogoče v optičnem območju opazovati le iz vesolja. Vsa zemeljska opazovanja gibanja zvezd v bližini supermasivne črne luknje v središču Galaksije se izvajajo tudi z uporabo AO.

AO je dal veliko za študij sončnega sistema. Z njegovo pomočjo so bile pridobljene obsežne informacije o asteroidnem pasu - zlasti o binarnih asteroidnih sistemih. AO je obogatil znanje o atmosferi planetov sončnega sistema in njihovih satelitov. Zahvaljujoč njej se že približno petnajst let izvajajo opažanja plinske lupine Titana, največjega satelita Saturna, ki je omogočil sledenje dnevnim in sezonskim spremembam v njegovem ozračju. Torej je bilo že nabrano obsežno paleto podatkov o vremenskih razmerah na zunanjih planetih in njihovih satelitih.

V nekem smislu je prilagodljiva optika izenačila zmožnosti kopenske in vesoljske astronomije. Zahvaljujoč tej tehnologiji največji stacionarni teleskopi s svojimi velikanskimi ogledali zagotavljajo veliko boljšo ločljivost kot Hubble ali James Webb IR teleskop, ki še ni bil predstavljen. Poleg tega merilni instrumenti za zemeljske opazovalnice nimajo togih omejitev glede teže in dimenzij, ki jim je podrejena zasnova vesoljske opreme. Torej ni pretiravanje reči, "je zaključil profesor Max, " da je prilagodljiva optika korenito spremenila številne veje sodobne znanosti o vesolju. "

Članek "Tako, da zvezde ne utripajo" je bil objavljen v reviji "Popular Mechanics" (št. 9, september 2015).

Priporočena

Edinstvena Mazda RX-7, ki so jo našli po 35 letih
2019
Egzorcizem v 21. stoletju: telefon izganjati demone
2019
Krokodil ujet v Novosibirsku
2019