Адаптивная оптика: как рассмотреть звёзды нанебе?

      Комментарии к записи Адаптивная оптика: как рассмотреть звёзды нанебе? отключены

Адаптивная оптика: как рассмотреть звёзды нанебе?

Опыт, вдохнувший новую судьбу в науку о космосе, был выполнен не в известной обсерватории и не на огромном телескопе. Эксперты определили о нем из статьи Successful Tests of Adaptive Optics, размещённой в астрономическом издании The Messenger во второй половине 80-ых годов XX века. В том месте были представлены результаты опробований электрооптической совокупности Come-On, предназначенной для корректировки атмосферных искажений света космических источников.

Их совершили с 12 по 23 октября на 152-см рефлекторе французской обсерватории OHP (Observatoire de Haute-Province). Совокупность сработала так прекрасно, что авторы начали статью утверждением, что «давешняя мечта астрологов, трудящихся на наземных телескопах, наконец-то исполнилась благодаря созданию новой техники оптических наблюдений — адаптивной оптики».

А через пара лет совокупности адаптивной оптики (АО) начали ставить на громадные инструменты. В первой половине 90-ых годов двадцатого века ими оснастили 360-см телескоп Европейской южной обсерватории (ESO) в Чили, чуть позднее — такой же инструмент на Гавайях, а после этого и 8−10-метровые телескопы. Благодаря АО в наземные инструменты возможно замечать светила в видимом свете с разрешающей свойством, которая была уделом только космического телескопа Hubble, а в инфракрасных лучах — кроме того с более высокой.

К примеру, в крайне полезном для астрономии участке ближней инфракрасной территории с длиной волны 1 мкм Hubble снабжает разрешение в 110 угловых мс, а 8-метровые телескопы ESO — до 30? мс.

В действительности, в то время, когда французские астрологи испытывали собственную совокупность АО, в Соединенных Штатах уже существовали подобные устройства. Но создали их вовсе не для потребностей астрономии. Клиентом этих разработок был Пентагон.

Глаза АО Сенсор Шека-Хартмана трудится так: покинув оптическую совокупность телескопа, свет проходит через решетку из маленьких линз, направляющих его на ПЗС-матрицу. Если бы излучение космического источника либо неестественной звезды распространялось в вакууме либо в идеально спокойной атмосфере, то все мини-линзы фокусировали бы его строго в центре отведенных им пикселей. Из-за атмосферных завихрений точки схождения лучей «гуляют» по поверхности матрицы, и это разрешает реконструировать сами возмущения.

В то время, когда воздушное пространство помеха

В случае если замечать в телескоп две звезды, расположенные на небосводе весьма близко друг к другу, их изображения сольются в одну светящуюся точку. Минимальное угловое расстояние между такими звездами, обусловленное волновой природой света (дифракционный предел), — это и имеется разрешающая свойство прибора, и она прямо пропорциональна длине волны света и обратно пропорциональна диаметру (апертуре) телескопа. Так, для трехметрового рефлектора при наблюдениях в зеленом свете данный предел образовывает около 40 угловых мс, а для 10-метрового — чуть больше 10 мс (под таким углом небольшая монета видна с расстояния 2000 км).

Но эти оценки честны лишь для наблюдений в вакууме. В земной атмосфере часто возникают участки локальной турбулентности, которая пара сотен раз в секунду изменяет плотность и температуру воздуха и, следовательно, его показатель преломления. Исходя из этого в воздухе фронт световой волны от космического источника неминуемо расплывается.

В следствии настоящая разрешающая свойство простых телескопов в лучшем случае образовывает 0,5−1 угловую секунду и очень сильно не дотягивает до дифракционного предела.

Путеводные звезды

Представим себе прибор, что много раз в секунду разбирает прошедшие через телескоп световые волны на предмет обнаружения следов атмосферных завихрений и согласно этой информации изменяет форму деформируемого зеркала, помещенного в фокусе телескопа, дабы нейтрализовать атмосферные помехи и в совершенстве сделать изображение объекта «вакуумным». В этом случае разрешающая свойство телескопа ограничивается только дифракционным пределом.

Но имеется одна тонкость. В большинстве случаев свет далеких галактик и звёзд чересчур не сильный для надежной реконструкции волнового фронта. Другое дело, в случае если рядом с замечаемым объектом имеется броский источник, лучи от которого идут к телескопу практически по такому же пути, — ими-то и возможно воспользоваться для считывания атмосферных помех. Как раз такую схему (в пара урезанном виде) во второй половине 80-ых годов XX века опробовали французские астрологи.

Они выбрали пара броских звезд (Денеб, Капеллу и другие) и посредством адаптивной оптики вправду улучшили уровень качества их изображений при наблюдениях в инфракрасном свете. Скоро такие совокупности, применяющие звезды-маяки (guide stars) земного небосвода, начали использовать на громадных телескопах для настоящих наблюдений.

Но броских звезд на земном небе мало, так что эта методика пригодна для наблюдений всего лишь 10% небесной сферы. Но в случае если природа не создала подходящее светило в нужном месте, возможно создать неестественную звезду — посредством лазера позвать на громадной высоте свечение воздуха, которое станет опорным источником света для компенсирующей совокупности.

Данный способ в 1985 году внесли предложение французские астрологи Рено Фуа и Антуан Лабейри. Приблизительно тогда же к подобным выводам пришли и их коллеги из америки Эдуард Кибблуайт и Лэйрд Томсон. В середине 1990-х лазерные излучатели в паре с аппаратурой АО показались на телескопах средних размеров в Ликской обсерватории в Соединенных Штатах и в обсерватории Калар Альто в Испании.

Но данной технике пригодилось около десяти лет, дабы она отыскала использование на 8−10-метровых телескопах.

Кривые зеркала

Аккуратный элемент совокупности адаптивной оптики — это деформируемое зеркало, изгибаемое посредством пьезоэлектрических либо электромеханических приводов (актуаторов) по командам совокупности управления, которая приобретает и разбирает информацию об искажениях от датчиков волнового фронта.

Армейский интерес

История адаптивной оптики имеет не только явную, но и тайную сторону. В январе 1958 года в Пентагоне создали новую структуру, Управление перспективных оборонных исследовательских проектов — Advanced Research Projects Agency, ARPA (на данный момент DARPA), важное за разработку разработок для новых поколений оружия. Это ведомство сыграло первостепенную роль в создании адаптивной оптики: для наблюдения за советскими орбитальными аппаратами требовались нечувствительные к атмосферным помехам телескопы с максимально высоким разрешением, а в возможности рассматривалась задача создания лазерного оружия для уничтожения баллистических ракет.

В середине 1960-х под контролем ARPA была запущена программа изучения атмосферных взаимодействия и возмущений лазерного излучения с воздухом. Этим занимались в исследовательском центре RADC (Rome Air Development Center), расположенном на авиабазе Гриффис в штате Нью-Йорк. В качестве опорного источника света применяли замечательные прожектора, установленные на пролетающих над полигоном бомбардировщиках, и это было столь впечатляющим, что испуганные обитатели иногда обращались в полицию!

Весной 1973 года ARPA и RADC подрядили личную корпорацию Itec Optical Systems для принятие участия в разработке устройств, компенсирующих рассеивание света под действием атмосферных возмущений, в рамках программы RTAC (Real-Time Atmospheric Compensation). Сотрудники Itec создали все три основных компонента АО — интерферометр для анализа возмущений светового фронта, деформируемое зеркало для их исправления и совокупность управления.

Их первое зеркало двухдюймового диаметра было сделано из стекла, покрытого отражающей пленкой из алюминия. В опорную пластинку были встроены пьезоэлектрические актуаторы (21 вещь), талантливые под действием электрических импульсов уменьшаться и удлиняться на 10 мкм. Уже первые лабораторные тесты, совершённые в том же году, свидетельствовали об успехе.

А следующим летом новая серия тестов показала, что экспериментальная аппаратура может исправить лазерный луч уже на расстояниях в пара сотен метров.

Эти чисто научные опыты еще не были сохраняються в тайне. Но в 1975 году была утверждена закрытая программа CIS (Compensating Imaging System) разработки АО в интересах Пентагона. В соответствии с ней были созданы более идеальные сенсоры волнового фронта и деформируемые зеркала с сотнями актуаторов. Эту аппаратуру установили на 1,6-метровом телескопе, расположенном на вершине горы Халеакала на гавайском острове Мауи.

В июне 1982 года с ее помощью в первый раз удалось взять фотографии неестественного спутника Почвы приемлемого качества.

С лазерным прицелом

Хоть опыты на Мауи длились еще пара лет, центр разработки переместился в особенную территорию авиабазы Киртленд в штате Нью-Мексико, на тайный полигон Sandia Optical Range (SOR), где уже давно трудились над лазерным оружием. В первой половине 80-ых годов XX века несколько под управлением Роберта Фьюгейта приступила к опытам, на протяжении которых предстояло изучить лазерное сканирование неоднородностей воздуха.

Эту идею в первой половине 80-ых годов XX века выдвинул американский физик Джулиус Фейнлейб, и сейчас ее необходимо было проверить на практике. Фейнлейб внес предложение применять в совокупностях АО упругое (рэлеевское) рассеяние квантов света на неоднородностях воздуха. Кое-какие из рассеянных фотонов возвращаются в точку, из которой ушли, и в соответствующем участке небосвода появляется характерное свечение практически точечного источника — неестественная звезда.

Фьюгейт с сотрудниками регистрировали искажения волнового фронта отраженного излучения на пути к Почва и сравнивали их с подобными возмущениями звездного света, пришедшего с этого же участка небосвода. Возмущения были практически аналогичными, что подтвердило возможность применения лазеров для ответа задач АО.

Эти измерения не потребовали сложной оптики — хватило несложных зеркальных совокупностей. Но для более надежных результатов их нужно было повторить на хорошем телескопе, что и был установлен на SOR во второй половине 80-ых годов XX века. Фьюгейт с ассистентами совершили на нем опыты, на протяжении которых и появилась адаптивная оптика с рукотворными звездами.

В феврале 1992 года было получено первое существенно улучшенное изображение небесного тела — Бетельгейзе (самого броского светила созвездия Ориона). Скоро возможности способа показали на фотографиях еще последовательности звезд, колец Сатурна и других объектов.

Несколько Фьюгейта зажигала неестественные звезды замечательными лазерами на парах меди, генерировавшими 5000 импульсов в секунду. Столь высокая частота вспышек разрешает сканировать кроме того самые короткоживущие турбулентности. На смену интерферометрическим сенсорам волнового фронта пришел более идеальный сенсор Шека-Хартмана, изобретенный в первой половине семидесятых годов прошлого века (кстати, также по заказу Пентагона).

Зеркало с 241 актуатором, поставленное компанией Itec, имело возможность изменять форму 1664 раза в секунду.

Поднять повыше

Рэлеевское рассеяние достаточно слабо, исходя из этого его возбуждают в диапазоне высот 10−20 км. Лучи от неестественной опорной звезды расходятся, тогда как лучи от значительно более далекого космического источника строго параллельны. Исходя из этого их волновые фронты искажаются в турбулентном слое не совсем одинаково, что отражается на качестве скорректированного изображения.

Звезды-маяки лучше зажигать на большей высоте, но рэлеевский механизм тут негоден.

Эту проблему в первой половине 80-ых годов XX века разрешил доктор наук Принстонского университета Уилл Харпер. Он внес предложение воспользоваться тем, что в мезосфере на высоте порядка 90 км большое количество атомов натрия, скопившихся в том месте из-за сгорания микрометеоритов. Харпер внес предложение возбуждать резонансное свечение этих атомов посредством лазерных импульсов.

Интенсивность для того чтобы свечения при равной мощности лазера на четыре порядка выше силы света при рэлеевском рассеянии. Это была лишь теория. Ее практическое воплощение произошло благодаря упрочнениям сотрудников Линкольновской лаборатории, расположенной на авиабазе Хэнском в штате Массачусетс. Летом 1988 года они взяли первые снимки звезд, выполненные посредством мезосферных маяков.

Но уровень качества фотографий не было высоким, и реализация способа Харпера "настойчиво попросила" долгой шлифовки.

Весной 1991 года Пентагон решил снять гриф секретности с большей части работ по адаптивной оптике. Первые сообщения о ней были сделаны в мае на конференции Американской астрономической ассоциации в Сиэтле. Скоро последовали и журнальные публикации.

Не смотря на то, что американские армейские занимались адаптивной оптикой, рассекреченные результаты 1980-х годов стали достоянием астрологов.

    Фото B 2013 году был удачно испытан неповторимый прибор Gemini Planet Imager для фото- и спектрографирования экзопланет, предназначенный для восьмиметровых телескопов Gemini. Он разрешает посредством АО замечать планеты, чья видимая яркость в миллионы раз меньше яркости звезд, около которых они обращаются.

Великий уравнитель

«АО в первый раз позволила наземным телескопам приобретать информацию о структуре весьма далеких галактик, — говорит астрофизики и профессор астрономии Клэр Макс из университета в Санта-Крус. — До наступления эры АО их возможно было замечать в оптическом диапазоне только из космоса. Все наземные наблюдения перемещения звезд вблизи сверхмассивной черной дыры в центре Галактики ведутся кроме этого посредством АО.

АО большое количество дала и для изучения Нашей системы. С ее помощью взята широкая информация о поясе астероидов — в частности, о двойных астероидных совокупностях. АО обогатила знания об воздухах планет Нашей системы и их спутников. Благодаря ей вот уже лет пятнадцать ведутся наблюдения газовой оболочки Титана, самого громадного спутника Сатурна, разрешившие отследить сезонные изменения и суточные его атмосферы.

Так что уже накоплен широкий массив информации о погодных условиях на внешних их сателлитах и планетах.

В определенном смысле адаптивная оптика уравняла возможности земной и космической астрономии. Благодаря данной технологии наибольшие стационарные телескопы с их огромными зеркалами снабжают куда лучшее разрешение, чем «Хаббл» либо еще не запущенный ИК-телескоп «Джеймс Уэбб». К тому же измерительные устройства для наземных обсерваторий не имеют твёрдых весовых и габаритных ограничений, которым подчинено проектирование космической аппаратуры.

Так что вовсе не будет преувеличением сообщить, — закончила доктор наук Макс, — что адаптивная оптика радикально преобразовала многие ветви современной науки о Вселенной».

Прощупывая воздух

Ранее размеры корректируемых территорий небосвода ограничивались клетками со стороной в 15 угловых мс. В марте 2007 года на одном из телескопов ESO была в первый раз опробована мультисопряженная адаптивная оптика (MCAO). Она прощупывает турбулентности на различных высотах, что разрешило расширить размер корректируемого поля зрения до двух и более угловых мин..

«В этом столетии возможности АО очень сильно расширились, — говорит «ПМ» астрофизики и профессор астрономии Клэр Макс, директор Центра адаптивной оптики Калифорнийского университета в Санта-Крус. — На громадных телескопах установлены совокупности с двумя и тремя деформируемыми зеркалами, к числу которых относится и МСАО. Показались новые сенсоры волнового фронта и более замечательные компьютерные программы.

Созданы зеркала с микроэлектромеханическими актуаторами, разрешающими изменять форму отражающей поверхности лучше и стремительнее, чем актуаторы на пьезоэлектриках. Сейчас созданы и опробованы экспериментальные совокупности мультиобъектной адаптивной оптики (МОАО), благодаря которым возможно в один момент отслеживать до десяти и более источников в поле зрения диаметром 5−10 угловых мин.. Их установят на телескопах нового поколения, каковые приступят к работе в следующем десятилетии».

Весной 1991 года Пентагон решил снять гриф секретности с большей части работ по адаптивной оптике. Рассекреченные результаты 1980-х годов стали достоянием астрологов.

Статья «Дабы звезды не мерцали» размещена в издании «Популярная механика» (№155, сентябрь 2015).

Адаптивная оптика или как зажигаются искусственные звезды


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: