Login lub e-mail Hasło   

Optyka Adaptatywna w służbie astronomii.

Krótki opis technik stosowanych w naziemnych teleskopach do obserwacji odległych, kosmicznych obiektów.
Wyświetlenia: 732 Zamieszczono 08/07/2015

Zapewne niejednokrotnie wpatrywaliście się w nocne niebo i widzieliście migoczące gwiazdy. To bardzo romantyczny widok, zwłaszcza spacerując z dziewczyną u swego boku. To co romantyków i poetów wprawia w melancholijny nastrój, astronomów doprowadzało i nadal doprowadza do białej gorączki. Zamiast obserwować wybraną gwiazdę w teleskopie, mruga ona niczym rowerowa, diodowa lampka. W dobie XXI wieku, kiedy jesteśmy w stanie wysłać zaawansowane roboty na Marsa i sondy na odległego Plutona, mogło by się zdawać, że i z tym problemem możemy sobie poradzić. Owszem,myślano już o tym w momencie konstruowania pierwszych dużych teleskopów, jednak na rozwiązanie przyszło czekać aż do końca XX wieku. Dopiero wtedy, technika lotów w kosmos była na tyle rozwinięta, że można było pokusić się o wystrzelenie teleskopu optycznego na orbitę ziemską, pozostawiając tym samym kłopotliwą atmosferę daleko w tyle.

Niestety wynoszenie wszelakich obiektów w przestrzeń kosmiczną, jest czynnością nader skomplikowaną i kosztowną a więc ściśle ograniczoną dla nielicznych. Czy nie można było tego jakoś uprościć, uczynić mniej skomplikowanym, tańszym i bardziej dostępnym od kosmicznego teleskopu? Można było. Niemniej jednak technologia ta była w fazie projektu a misja Kosmicznego Teleskopu Hubble’a była już niemal gotowa i rozpoczęło się ostatecznie odliczanie przed wyniesieniem teleskopu w kosmos. Dodatkowo dochodzi możliwość prowadzenia obserwacji przez całą dobę wszak w kosmosie pojęcie dnia i nocy jest względne. Najdalsze obiekty, znajdujące się miliardy lat świetlnych od Ziemi, świecą światłem tak słabym, że aby je dostrzec, potrzebne są bardzo długie czasy naświetlania liczone w godzinach a nawet dniach. Już na samym początku pracy Hublle’a okazało się, że jego zwierciadło zostało źle wykonane i obrazy jakie były uzyskiwane niebyły zbyt wiele warte, żeby nie powiedzieć bezwartościowe. Tak więc należało wysłać misje serwisową, czyli załogę astronautów w promie kosmicznym z kluczem francuskim i dłutem. Oznaczało to oczywiście potrzebę szkolenia owej załogi, opracowanie planu naprawczego, przygotowania promu kosmicznego no i ostatecznie wystrzelenie go, a to równało się z ogromem niezbędnego czasu i jeszcze większymi pieniędzmi nie wspominając o ryzyku katastrofy promu. Zanim przejdę do technicznych szczegółów, wspomnę, że dla teleskopów optycznych od pierwszego, najprostszego modelu stosowanego przez Galileusza, do obecnie budowanych zaawansowanych, sterowanych komputerowo gigantów, zawsze liczyła się moc zbierania światła czyli wielkość zwierciadła oraz rozdzielczość kątowa lub inaczej – ostrość obrazu. Jest kilka zasadniczych wersji teleskopów ale w tym artykule skupimy się na teleskopach zwierciadlanych. Ponadto obserwację można prowadzić w całym paśmie elektromagnetycznym, niestety z Ziemi tylko w przedziale dla światła widzialnego, bliskiej podczerwieni i fal radiowych albowiem tylko takowe są przepuszczane przez atmosferę Ziemi. Wszystkie inne teleskopy obserwujące Wszechświat, muszą być właśnie wyniesione w kosmos, by móc prowadzić obserwację w pozostałym zakresie widma elektromagnetycznego blokowanego przez atmosferę.

Zniekształcenia obrazu w czasie obserwacji nie są powodowane jedynie warunkami atmosferycznymi. Niemniej ważne są ograniczenia techniczne teleskopu. Typowe amatorskie teleskopy maja lustra o średnicy około 10-20 cm, co przy obecnym stanie technologii nie jest żadnym wyzwaniem. Kłopoty zaczynają się, kiedy zwierciadła luster mierzą 3 metry i więcej. Kluczem do zachowania ostrości obrazu jest idealnie wyprofilowane lustro. Profil lustra, może się zmieniać wraz z temperaturą, zmianą nachylenia zwierciadła czy wilgotnością powietrza. Co więcej, zwierciadła o średnicy kilku metrów odkształcają się pod własnym ciężarem. Początkowo wierzono, że z mechanicznymi przeszkodami związanymi z konstrukcją samego teleskopu uda się w jakimś stopniu wygrać wraz z postępem nauki. Zwierciadła jak i całe mechanizmy poruszające teleskopem a nawet kopuły chroniące przed wiatrem są schładzane a najlepszym okresem do obserwacji (dla sprzętu oczywiście) jest zima. Aby wielotonowe zwierciadło nie wystudzało się po upalnym dniu wiele godzin, całe pomieszczenie gdzie znajduje się teleskop w czasie dnia jest chłodzone aby temperatura zwierciadeł była jak najbardziej zbliżona do prognozowanej temperatury w czasie nocnych obserwacji. Wpływ atmosfery na jakość obrazu był traktowany jako przeszkoda nie do ominięcia dla teleskopów naziemnych. W latach 80, kiedy rozpoczęto konstruowanie teleskopów ze zwierciadłami powyżej 4 metrów, stało się jasne, że osiągnięto limit technicznych możliwości. Trzeba było opracować nową technikę, która pozwoliłaby na wprowadzanie bieżących korekt do otrzymywanego obrazu.

Optyka aktywna

Siłowniki pod lustrem głównym Gran Telescopio Canarias. Jak widać są to dość pokaźne siłowniki a lustro składa się z 36 mniejszych luster w kształcie heksagonu.

Technika ta została użyta po raz pierwszy w latach 80′ przy teleskopach ze zwierciadłem powyżej 3 metrów. Do tej pory, aby zapewnić zwierciadłu jak najlepszą sztywność i odporność na odkształcenia, było ono grube a co za tym idzie, bardzo ciężkie (waga nawet powyżej kilkunastu ton). Cóż, nie można w nieskończoność powiększać wagi zwierciadła wraz z jego średnicą, albowiem powodowało to nagły wzrost błędów jakie powstawały w momencie kurczenia się lub rozszerzania pod wpływem temperatury czy grawitacji. Rozwiązaniem była optyka aktywna. Polega ona na „podtrzymywaniu” głównego lustra przez siłowniki sterowane komputerowo. Analiza jest dokonywana na bieżąco, co pozwala dynamicznie kształtować zwierciadło z częstotliwością około raz na sekundę. Technika ta pozwala na utrzymanie w optymalnym kształcie zwierciadła głównego, które odkształca się pod wpływem własnego ciężaru (wraz ze zmianą położenia teleskopu), temperatury czy wiatru. Technikę tę zastosowano po raz pierwszy w Europejskim Obserwatorium Południowym przy budowie NTT (New Technology Telescope) oraz wielokrotnie już w późniejszych latach, między innymi w teleskopach Keck’a na Hawajach. W tym miejscu nadmienić trzeba, że aby zastosować optykę aktywną, potrzebne są specjalne lustra, które poddadzą się dynamicznemu kształtowaniu. Najczęściej są to lustra składające się z kilkunastu/kilkudziesięciu mniejszych luster a całość ma kształt plastra miodu tak jak przykładowe lustra teleskopów Keck’a. Niestety nadal nie potrafiono poradzić sobie ze zniekształceniami powodowanymi przez atmosferę ziemską.

Optyka adaptatywna

Setki mikro siłowników zaprojektowanych dla potrzeb wtórnego zwierciadła Large Binocular Telescope (LBT) w Arizonie.

A więc z odkształceniami zwierciadła już sobie poradziliśmy. Czas na zniwelowanie problemu atmosfery. Skoro byliśmy w stanie zbudować bombę atomową i wysłać człowieka na Księżyc to i z tym problemem powinniśmy sobie poradzić. Pierwsze teoretyczne prace opisujące możliwość korekcji błędów obrazu spowodowanych atmosferą ziemską, powstały w latach 50’tych, ale dopiero rozwój technik informatycznych i wzrost mocy obliczeniowej komputerów, który nastąpił z początkiem lat 90’tych, umożliwił przejście z teorii do praktyki. I tak kolejnym milowym krokiem, było opracowanie technologi zwanej optyką adaptatywną, która miała ogromy wpływ na przyszłość naziemnych obserwatoriów.
Jest to technika bardzo podobna do optyki aktywnej, aczkolwiek znacznie bardziej zaawansowana i skomplikowana. Teraz, aby poradzić sobie ze zniekształceniami powodowanymi przez atmosferę, system musiał być o wiele szybszy i wydajniejszy. Analiza musiała być dokonywana w czasie rzeczywistym, a lustra jakie były wykorzystywane przy konstruowaniu nowych teleskopów wymagały opracowania nowych technik ich produkcji. Jak działa OA? Otóż w momencie gdy czoło fali świetlej (obraz) wpada do teleskopu, jest analizowane przez specjalnie stworzone do tego celu sensory, których zadaniem jest analiza zniekształcenia owej fali światła. Sygnał z sensorów jest wysyłany do jednostki obliczeniowej, która z kolei „w locie” oblicza poprawki jakie trzeba wykonać na lustrze wtórnym by zniekształconą falę skorygować (wyprostować). Odbywa się to z zawrotną częstotliwością od 100 do 1000 razy na sekundę, z dokładnością do mikrometra. Aby było to możliwe, zastosowano miniaturowe piezoelektryczne siłowniki (działające na zasadzie elektromagnesu) a przeciętne lustro ma grubość około 1,5 mm. Wspomnieć tu należy, że OA nie stosuje się na pierwotnym lustrze (największym), które ma kilka metrów średnicy (na nim stosuje się najczęściej optykę aktywną), lecz na wtórnym lub kolejnym z kilku w zależności od układu w jakim teleskop został zbudowany.

Wiązka lasera używanego w Very Large Telescope (ESO).

A skąd wiadomo jak obserwowany obiekt wygląda w rzeczywistości, aby móc nanieść odpowiednie poprawki do zniekształconej fali świetlnej? I ten problem rozwiązano dość pomysłowo. Najprostszym sposobem, jest obserwacja jasnej, sąsiadującej odpowiednio blisko gwiazdy. Przyjmuje się, że światło z niej pochodzące, przechodzi przez tę samą warstwę atmosfery i jest identycznie zniekształcone. A co jeśli w pobliżu nie ma odpowiedniej gwiazdy? Cóż, najlepiej taką stworzyć samemu! Można tego dokonać wystrzeliwując w atmosferę wiązkę laserową o odpowiedniej długości fali (589 nm), która wzbudza atomy sodu znajdujące się w wyższych partiach atmosfery. Atomy sodu zaczynają świecić lekką poświatą, która z powodzeniem imituje gwiazdę referencyjną .

Yes, we can!

Myślę, że pokrótce udało mi się przybliżyć Wam idee i zasady działania technik korekcji obrazu stosowanych w naziemnych teleskopach. Najlepszym dowodem na słuszność obranej drogi w rozwój wspomnianych technik, niech posłużą zdjęcia wykonane przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a oraz zdjęcia tych samych obiektów wykonane z naziemnych obserwatoriów. Wiele z nich jest wyraźniejszych od zdjęć wykonanych przez Hubble’a! Naziemne teleskopy posiadają także tę przewagę, że mogą działać jako interferometr ale to technika ograniczona do niewielkiej liczby teleskopów i materiał na oddzielny wpis. Na koniec jako ciekawostkę dodam, że te same techniki są stosowane w satelitach obserwujących Ziemie, wszak atmosfera ziemska działa podobnie w dwie strony.

Więcej na cosmicbulletin.wordpress.com

Podobne artykuły


10
komentarze: 2 | wyświetlenia: 672
10
komentarze: 55 | wyświetlenia: 1000
10
komentarze: 14 | wyświetlenia: 1090
10
komentarze: 1 | wyświetlenia: 1368
6
komentarze: 55 | wyświetlenia: 1042
5
komentarze: 60 | wyświetlenia: 529
124
komentarze: 52 | wyświetlenia: 141201
118
komentarze: 23 | wyświetlenia: 236241
91
komentarze: 20 | wyświetlenia: 109468
90
komentarze: 29 | wyświetlenia: 121722
 
Autor
Artykuł

Powiązane tematy





  nse,  11/07/2015

" To bardzo romantyczny widok, zwłaszcza spacerując z dziewczyną u swego boku." ...
No tak to taka chwila kiedy chciało by się tej dziewczynie zaimponować i móc coś sensownego o niebie jej opowiedzieć, świetny artykuł ... właściwie dlatego że dość otwarty, bo nie wiadomo czy o kosmosie, nauce czy człowieku i jego motywacjach ??
Ps. Przypomniała mi się historia pewnego kolegi z lat "m ...  wyświetl więcej



Dodaj swoją opinię
W trosce o jakość komentarzy wymagamy od użytkowników, aby zalogowali się przed dodaniem komentarza. Jeżeli nie posiadasz jeszcze swojego konta, zarejestruj się. To tylko chwila, a uzyskasz dostęp do dodatkowych możliwości!
 

© 2005-2018 grupa EIOBA. Wrocław, Polska