Kepada bintang-bintang tidak berkelip

Kepada bintang-bintang tidak berkelip

Alexey Levin
"Mekanik Popular" №9, 2015

Penyebaran bintang-bintang yang kelihatan mengenyit pada pemerhati kelihatan sangat romantis. Tetapi bagi ahli astronomi, berkilau yang indah ini sama sekali tidak dikagumi, tetapi dengan perasaan yang bertentangan. Nasib baik, ada cara untuk memperbaiki keadaan.

Eksperimen, yang menghembuskan nafas baru ke dalam sains ruang angkasa, tidak dilakukan di klinik yang terkenal atau di teleskop gergasi. Pakar belajar tentangnya dari artikel "Ujian Optik Adaptif yang Sukses" yang diterbitkan dalam jurnal astronomi Rasul itu pada tahun 1989. Terdapat dibentangkan hasil ujian sistem elektro-optik Datang-On, yang direka untuk membetulkan gangguan cahaya atmosfera dari sumber-sumber kosmik. Mereka dijalankan dari 12 hingga 23 Oktober pada reflektor 152 sentimeter dari Observatorium OHP Perancis (Observatoire de Haute-Province). Sistem ini berfungsi dengan baik agar penulis memulakan artikel dengan menyatakan bahawa "impian lama ahli astronomi yang bekerja di teleskop berasaskan tanah akhirnya dipenuhi berkat penciptaan teknik pemerhatian optik baru – optik adaptif."

Dan selepas beberapa tahun, sistem optik adaptif (AO) mula dipasang pada instrumen besar. Pada tahun 1993, mereka dilengkapi teleskop 360 sentimeter dari Balai Cerap Selatan Eropah (ESO) di Chile, sedikit kemudian – instrumen yang sama di Hawaii, dan kemudian teleskop 8-10 meter.Terima kasih kepada AO, instrumen berasaskan darat dapat melihat cahaya dalam cahaya yang kelihatan dengan resolusi yang hanya untuk teleskop ruang Hubble, dan lebih banyak lagi untuk sinar inframerah. Contohnya, sangat berguna untuk bahagian astronomi zon inframerah berhampiran dengan panjang gelombang 1 mikron, Hubble memberikan resolusi 110 ms sudut, dan 8 meter ESO teleskop sehingga 30 ms.

Malah, apabila ahli astronomi Perancis menguji sistem AO mereka, peranti serupa telah wujud di Amerika Syarikat. Tetapi mereka tidak dicipta untuk keperluan astronomi. Pelanggan perkembangan ini adalah Pentagon.

Apabila udara menjadi penghalang

Jika anda melihat di teleskop dua bintang yang terletak di langit sangat dekat satu sama lain, imej mereka akan bergabung menjadi satu titik bercahaya. Jarak minimum sudut antara bintang tersebut, kerana sifat gelombang cahaya (had difraksi), adalah resolusi instrumen, dan ia berkadar terus dengan panjang gelombang cahaya dan berkadar songsang dengan diameter (apertur) teleskop. Oleh itu, untuk reflektor tiga meter, apabila diperhatikan dalam cahaya hijau, had ini adalah kira-kira 40 ms sudut, dan untuk reflektor 10 meter – sedikit lebih daripada 10 ms (pada sudut sedemikian koin kecil kelihatan dari jarak 2000 km).

Walau bagaimanapun, anggaran ini hanya sah untuk pemerhatian dalam vakum.Plot pergolakan tempatan sentiasa timbul di atmosfer bumi, yang beratus-ratus kali kali sesaat mengubah ketumpatan dan suhu udara dan, oleh itu, indeks biasannya. Oleh itu, di atmosfer, depan gelombang cahaya dari sumber kosmik tidak dapat dielakkan. Akibatnya, resolusi sebenar teleskop biasa adalah, pada masa yang terbaik, 0.5-1 detik sudut dan tidak banyak mencapai had difraksi.

Bintang bimbingan

Bayangkan peranti yang menganalisis gelombang cahaya yang dihantar melalui teleskop beratus-ratus kali sesaat untuk mengesan jejak turbulensi atmosfera dan, dengan menggunakan data ini, mengubah bentuk cermin deformable yang diletakkan di dalam fokus teleskop untuk meneutralkan bunyi atmosfera dan dengan idealnya membuat imej objek "vakum". Dalam kes ini, resolusi teleskop adalah terhad semata-mata oleh had difraksi.

Walau bagaimanapun, terdapat satu kehalusan. Biasanya cahaya bintang dan galaksi jauh terlalu lemah untuk pembinaan semula gelombang depan yang boleh dipercayai. Ini satu lagi perkara jika ada sumber yang cerah berhampiran objek yang diamati, sinar yang pergi ke teleskop hampir sepanjang jalan yang sama – mereka boleh digunakan untuk membaca bunyi atmosfera.Ia adalah skema ini (dalam bentuk agak dipenggal) pada tahun 1989 yang cuba dicuba oleh ahli astronomi Perancis. Mereka memilih beberapa bintang terang (Deneb, Capella dan lain-lain) dan dengan bantuan optik adaptif mereka benar-benar meningkatkan kualiti imej mereka ketika memerhatikan cahaya inframerah. Tidak lama kemudian, sistem seperti itu, menggunakan bintang-bintang (bintang-bintang panduan) langit bumi, mula digunakan pada teleskop besar untuk pemerhatian sebenar.

Tetapi ada beberapa bintang terang di langit bumi, jadi teknik ini sesuai untuk mengamati hanya 10% dari sfera langit. Tetapi jika alam tidak mencipta bintang yang sesuai di tempat yang betul, anda boleh membuat bintang buatan – menggunakan laser untuk menyebabkan cahaya tinggi ketinggian atmosfera, yang akan menjadi sumber rujukan cahaya untuk sistem pampasan.

Kaedah ini dicadangkan pada tahun 1985 oleh ahli astronomi Perancis, Renault Foy dan Antoine Labeyri. Pada masa yang sama, rakan-rakan mereka dari Amerika Syarikat Edward Kibblewhite dan Laird Thomson tiba pada kesimpulan yang sama. Pada pertengahan 1990-an, pemancar laser yang dipasangkan dengan peralatan AO muncul pada teleskop bersaiz sederhana di Balai Cerap Lick di Amerika Syarikat dan di Balai Cerap Calar Alto di Sepanyol. Walau bagaimanapun, diperlukan sepuluh tahun untuk teknik ini untuk digunakan pada teleskop 8-10 meter.

Cermin melengkung
Unsur eksekutif sistem optik adaptif adalah cermin deformable, yang bengkok menggunakan pemacu piezoelektrik atau elektromekanik (penggerak) pada perintah sistem kawalan, yang menerima dan menganalisis data mengenai distorsi dari sensor gelombang.

Kepentingan tentera

Sejarah optik adaptif tidak hanya jelas, tetapi juga bahagian rahsia. Pada bulan Januari 1958, Pentagon membentuk struktur baru, Agensi Projek Penyelidikan Lanjutan, ARPA (sekarang DARPA), bertanggungjawab untuk membangunkan teknologi untuk generasi baru senjata. Jabatan ini memainkan peranan penting dalam mewujudkan optik penyesuaian: memerhatikan angkasawan Soviet yang memerlukan teleskop yang tidak sensitif terhadap gangguan atmosfera dengan resolusi tertinggi, dan pada masa akan datang dianggap sebagai tugas untuk membuat senjata laser untuk menghancurkan peluru berpandu balistik.

Pada pertengahan 1960-an, satu program untuk mengkaji gangguan atmosfera dan interaksi sinaran laser dengan udara dilancarkan di bawah kawalan ARPA. Ini dilakukan di RADC (Pusat Pembangunan Udara Rom), yang terletak di Pangkalan Udara Griffis di New York State.Lampu carian yang kuat yang dipasang pada pengebom yang terbang ke atas telah digunakan sebagai sumber cahaya rujukan, dan ia sangat mengagumkan sehingga penduduk yang takut kadang-kadang berpaling kepada polis!

Pada musim bunga tahun 1973, ARPA dan RADC telah dikontrakkan atau mempunyai sistem optik milik Itec Optical untuk mengambil bahagian dalam pembangunan instrumen yang mengimbangi penyebaran cahaya oleh gangguan atmosfera, sebagai sebahagian daripada program Pampasan Atmosfera Masa Nyata (RTAC). Staf Itec mencipta ketiga-tiga komponen utama AO – interferometer untuk menganalisis gangguan depan cahaya, cermin deformable untuk membetulkannya, dan sistem kawalan. Cermin pertama mereka berdiameter dua inci diperbuat daripada kaca yang ditutup dengan filem aluminium yang mencerminkan. Penggerak piezoelektrik (21 keping) dibina ke dalam plat asas, mampu dikurangkan dan dipanjangkan oleh 10 μm di bawah tindakan denyutan elektrik. Ujian makmal pertama yang dijalankan pada tahun yang sama memberi keterangan kepada kejayaan. Dan pada musim panas yang akan datang, satu siri ujian baru menunjukkan bahawa peralatan eksperimen boleh membaiki sinar laser yang sudah berada pada jarak beberapa ratus meter.

Eksperimen saintifik semata-mata ini belum dikelaskan.Walau bagaimanapun, pada tahun 1975, program tertutup CIS (Pampasan Sistem Pengimejan) untuk pembangunan syarikat-syarikat saham bersama demi kepentingan Pentagon telah diluluskan. Selaras dengan itu, sensor gelombang lebih canggih dan cermin deformable dengan beratus-ratus penggerak dicipta. Peralatan ini dipasang pada teleskop 1.6 meter yang terletak di puncak Gunung Haleakala di pulau Hawaii Maui. Pada bulan Jun 1982, untuk kali pertama, adalah mungkin untuk mendapatkan gambar-gambar satelit buatan Bumi yang boleh diterima dengan bantuannya.

Dengan penglihatan laser

Walaupun percubaan di Maui berterusan selama beberapa tahun, pusat pembangunan berpindah ke kawasan khas pangkalan udara Kirtland di negeri New Mexico, kepada rahsia Sandia Optical Range (SOR), di mana mereka telah lama bekerja dengan senjata laser. Pada tahun 1983, sebuah kumpulan yang diketuai oleh Robert Fugeit memulakan eksperimen, di mana mereka akan mengkaji pengimbasan laser heterogeniti atmosfera. Idea ini dikemukakan pada 1981 oleh ahli fizik Amerika Julius Feinlab, dan kini ia perlu diuji dalam amalan. Feinleib dicadangkan untuk menggunakan hibrid cahaya (Rayleigh) pada quanta cahaya pada inhomogeneities atmosfera dalam sistem AO. Beberapa foton bertaburan kembali ke titik yang mereka tinggalkan,dan di bahagian yang bersesuaian dengan firma, cahaya bersifat sumber titik, bintang buatan, muncul. Fuget dan rakan-rakannya mencatatkan penyimpangan gelombang depan radiasi yang dicerminkan dalam perjalanan mereka ke Bumi dan membandingkannya dengan gangguan cahaya bintang yang sama yang datang dari bahagian langit yang sama. Perturbasi ternyata hampir sama, yang mengesahkan kemungkinan menggunakan laser untuk menyelesaikan masalah AO.

Pengukuran ini tidak memerlukan optik kompleks – sistem cermin mudah cukup. Walau bagaimanapun, untuk mendapatkan hasil yang lebih dipercayai, mereka terpaksa diulang pada teleskop yang baik, yang dipasang pada SOR pada tahun 1987. Fugeit dan pembantunya melakukan eksperimen di atasnya, di mana optik adaptif dengan bintang buatan manusia dilahirkan. Pada bulan Februari 1992, imej pertama yang lebih baik dari badan angkasa, Betelgeuse (cahaya paling terang dari buruj Orion), diperolehi. Tidak lama kemudian, kemungkinan kaedah itu ditunjukkan dalam gambar beberapa bintang, cincin Saturnus dan objek lain.

Mata AO
Sensor Shek-Hartman berfungsi seperti ini: selepas meninggalkan sistem optik teleskop, cahaya menerusi grid lensa kecil yang mengarahkannya ke array CCD.Sekiranya radiasi sumber kosmik atau bintang buatan tersebar di dalam vakum atau dalam suasana yang tenang, maka semua mini-lensa akan menumpukan perhatiannya di tengah-tengah piksel yang diberikan kepada mereka. Oleh kerana pergolakan atmosfera, titik penumpuan sinar "berjalan" di sepanjang permukaan matriks, dan ini membolehkan kita membina semula perturbasi itu sendiri "border = 0>Mata AO
Sensor Shek-Hartman berfungsi seperti ini: selepas meninggalkan sistem optik teleskop, cahaya menerusi grid lensa kecil yang mengarahkannya ke array CCD. Sekiranya radiasi sumber kosmik atau bintang buatan tersebar di dalam vakum atau dalam suasana yang tenang, maka semua mini-lensa akan menumpukan perhatiannya di tengah-tengah piksel yang diberikan kepada mereka. Oleh kerana pergolakan atmosfera, titik penumpuan sinaran "berjalan" di sepanjang permukaan matriks, dan ini membolehkan untuk membina semula perturbasi itu sendiri.

Kumpulan Fugeit menghidupkan bintang tiruan dengan laser berkuasa tembaga berkuasa tinggi yang menghasilkan 5,000 denyutan sesaat. Kekerapan frekuensi yang tinggi membolehkan pemindaian walaupun turbulen yang paling singkat. Sensor gelombang gelombang interferometrik digantikan oleh sensor Shek-Hartman yang lebih maju, dicipta pada awal tahun 1970an (dengan cara, juga ditugaskan oleh Pentagon).Cermin dengan 241 penggerak yang dibekalkan oleh Itec boleh berubah bentuk 1664 kali sesaat.

Naik lebih tinggi

Penyebaran Rayleigh agak lemah, jadi ia teruja dalam jarak ketinggian 10-20 km. Sinar dari bintang rujukan buatan menyimpang, sementara sinar dari sumber kosmik jauh lebih ketat. Oleh itu, depan gelombang mereka diputarbelitkan dalam lapisan bergelora tidak sama, yang menjejaskan kualiti imej yang diperbetulkan. Adalah lebih baik untuk menyalakan bintang-beacon pada ketinggian yang lebih tinggi, tetapi mekanisme Rayleigh tidak sesuai di sini.

Masalah ini pada tahun 1982 telah diselesaikan oleh Profesor Princeton University Will Harper. Beliau mencadangkan untuk menggunakan fakta bahawa di mesosfera di ketinggian kira-kira 90 km terdapat banyak natrium atom yang terkumpul di sana kerana pembakaran mikrometeorites. Harper mencadangkan untuk merangsang luminescence resonan atom-atom ini dengan bantuan laser denyutan. Keamatan pendaran seperti itu pada kuasa laser yang sama adalah empat perintah magnitud yang lebih tinggi daripada intensiti bercahaya di sempadan Rayleigh. Hanya teori sahaja. Pelaksanaan praktikalnya dimungkinkan oleh usaha kakitangan Laboratorium Lincoln di Hansky Air Base di Massachusetts. Pada musim panas 1988, mereka menerima imej bintang pertama yang dibuat dengan bantuan suar mesosfera.Walau bagaimanapun, kualiti gambar tidak tinggi, dan pelaksanaan kaedah Harper memerlukan banyak tahun penggilap.

Pada musim bunga tahun 1991, Pentagon memutuskan untuk mengeluarkan setem keselamatan dari kebanyakan kerja mereka pada optik penyesuaian. Laporan pertama mengenai beliau telah dibuat pada bulan Mei di persidangan Persatuan Astronomi Amerika di Seattle. Penerbitan jurnal tidak lama kemudian diikuti. Walaupun tentera AS terus terlibat dalam optik penyesuaian, keputusan yang dikurangkan pada 1980-an menjadi milik para astronom.

B 2013 Gemini Planet Imager yang unik untuk eksoplanet foto dan spektrographing yang direka untuk teleskop Gemini 8 meter berjaya diuji. Ia membolehkan kita mengamati planet dengan bantuan AO, yang kecerahannya kelihatan berjuta-juta kali kurang daripada kecerahan bintang-bintang di sekeliling yang mereka putar ') "> B 2013 Gemini Planet Imager yang unik untuk eksoplanet foto dan spektrographing yang direka untuk teleskop Gemini 8 meter berjaya diuji. Ia membolehkan kita mengamati planet dengan bantuan AO, yang kecerahannya kelihatan berjuta-juta kali kurang daripada kecerahan bintang-bintang di mana mereka mengubah "border = 0> B 2013 Gemini Planet Imager yang unik untuk eksoplanet foto dan spektrographing yang direka untuk teleskop Gemini 8 meter berjaya diuji.Ia membolehkan kita mengamati planet-planet dengan bantuan AO, yang kecerahannya jelas berjuta-juta kali kurang daripada kecerahan bintang di sekelilingnya yang mereka beralih

Penyamaratakan yang hebat

"Buat pertama kali, AO membenarkan teleskop berasaskan darat untuk mendapatkan data mengenai struktur galaksi yang sangat jauh," kata Claire Max, seorang profesor astronomi dan astrofizik di University of Santa Cruz. Bintang-bintang berhampiran lubang hitam supermasif di tengah-tengah galaksi juga dipandu oleh AO.

AO telah memberikan banyak kajian untuk mempelajari sistem solar. Dengan bantuannya, maklumat yang luas diperolehi mengenai tali pinggang asteroid, khususnya, mengenai sistem asteroid berganda. AO telah memperkayakan pengetahuan tentang atmosfera planet-planet solar dan satelitnya. Terima kasih, selama lima belas tahun sekarang, pemerhatian telah dibuat daripada sampul gas Titan, satelit terbesar Saturnus, yang memungkinkan untuk mengesan perubahan diurnal dan bermusim di atmosferanya. Oleh itu, pelbagai data tentang keadaan cuaca di planet luaran dan satelit mereka telah terkumpul.

Dalam erti kata, optik adaptif menyamakan kedudukan kemungkinan astronomi bumi dan angkasa.Terima kasih kepada teknologi ini, teleskop pegun terbesar dengan cermin gergasi mereka memberikan resolusi jauh lebih baik daripada Hubble atau belum dilancarkan IR Telescope James Webb. Di samping itu, alat ukur untuk pemerhatian berasaskan tanah tidak mempunyai berat tegar dan sekatan dimensi, yang mengawal reka bentuk peralatan angkasa. Oleh itu, ia sama sekali tidak berlebihan untuk mengatakan, "Profesor Max menyimpulkan," bahawa optik adaptif telah mengubah radikal banyak cabang sains moden mengenai Alam Semesta. "

Merasa suasana

Sebelum ini, dimensi kawasan langit laras dihadkan kepada sel-sel dengan sisi 15 angular ms. Pada bulan Mac 2007, optik penyesuaian multi-conjugate (MCAO) telah diuji buat kali pertama di salah satu teleskop ESO. Ia menyelidiki pergolakan pada ketinggian yang berbeza, yang memungkinkan untuk meningkatkan ukuran medan pandangan yang diperbetulkan hingga dua atau lebih sudut sudut.

"Pada abad ini, keupayaan syarikat gabungan telah banyak berkembang," kata Claire Max, seorang profesor astronomi dan astrofisika, pengarah Pusat Penyesuaian optik di University of California-Santa Cruz. "Pada teleskop besar, sistem dengan dua dan tiga cermin deformable, termasuk MCAO.Sensor gelombang depan dan program komputer yang lebih kuat telah muncul. Cermin dengan penggerak microelectromechanical telah dicipta, yang membolehkan perubahan bentuk permukaan yang mencerminkan lebih baik dan lebih cepat daripada penggerak pada piezoelectrics. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, sistem eksperimen optik penyesuaian pelbagai objek (MOAO) telah dibangunkan dan diuji, dengan mana anda boleh memantau sehingga sepuluh atau lebih sumber dalam satu pandangan dengan diameter 5-10 minit. Mereka akan dipasang pada teleskop generasi baru, yang akan bermula pada dekad yang akan datang. "


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: