Топ новостей
♥ ТОП Камни-талисманы Скорпиона
Разумеется, социальные сети предназначены в первую очередь для того, чтобы человек мог отвлечься от повседневных проблем, расслабиться и пообщаться со знакомыми. Таким образом, в топах расположены группы,

Перетяжка мягкой мебели
Обивка мягкой мебели: что предпочесть? Выбирая мягкую мебель, мы обращаем внимание на большое количество разнообразных факторов. Речь идет не только о таких характеристиках, как форма, цвет диванов

Внедрение erp системы
Если Вы сам деятель науки или просто любознательный человек, и Вы частенько смотрите или читаете последние новости в сфере науки или техники. Именно для Вас мы создали такой раздел, где освещаются последние

Интернет магазин инструментов в украине
У всех нас есть кухонные ножи. Кого-то устраивают те, которые уже есть, а кто-то, наверняка, был бы не против поменять имеющиеся, но не знает, на что стоит обратить внимание. Это статья про то, из каких

Выбираем душевые поддоны
Один из самых популярных вариантов - угловые душевые кабины. Они состоят из поддона и шторок - дверей. Стенками служат стены помещения. Прямоугольные модели со стенками тоже достаточно популярны, но

Страница сайта
Для большинства чайников вопрос "Как выбрать тему для сайта? " становится самым мучительным. Чтобы облегчить себе муки выбора, определитесь сначала с мотивациями.  Зачем вы хотите сделать сайт? Какие

Инсталляция + унитаз
На сегодняшний день клей герметик для стекла в большей степени. . . . Обкладываем цоколь клинкерной плиткой

Как заполнить адрес доставки на алиэкспресс
Многие наши соотечественники сегодня предпочитают не переплачивать посредникам и торговым организациям, а получать товары непосредственно у их производителей-китайских товарищей. Для этого, разумеется,

Бесплатная коробочная CRM+ERP для малого
Производственная индустрия переживает значительные изменения на протяжении нескольких последних лет. Если раньше компании производили продукцию по требованию клиента, то сейчас многие компании становятся

Как бороться с респираторными заболеваниями у детей
Простуда или если выражаться медицинским языком – острое респираторное заболевание или острая вирусная инфекция – эта группа заболеваний, возбудителями которых является вирусная инфекция. Большинство



РЕКЛАМА



Календарь

Адаптивна оптика | Журнал Популярна Механіка

  1. Коли повітря перешкода
  2. дороговказні зірки
  3. військовий інтерес
  4. З лазерним прицілом
  5. підняти вище
  6. Праведник

Розсип зірок, ніби підморгує спостерігачеві, виглядає дуже романтично. Але у астрономів це красиве мерехтіння викликає зовсім не захоплення, а зовсім протилежні почуття. На щастя, є спосіб виправити ситуацію.

Експеримент, вдихнув нове життя в науку про космос, був виконаний не в знаменитій обсерваторії і не на гігантському телескопі. Фахівці дізналися про нього зі статті Successful Tests of Adaptive Optics, опублікованій в астрономічному журналі The Messenger в 1989 році. Там були представлені результати випробувань Електрооптичного системи Come-On, призначеної для коригування атмосферних спотворень світла космічних джерел. Їх провели з 12 по 23 жовтня на 152-см рефлекторе французької обсерваторії OHP (Observatoire de Haute-Province). Система спрацювала настільки добре, що автори почали статтю твердженням, що «давня мрія астрономів, що працюють на наземних телескопах, нарешті здійснилася завдяки створенню нової техніки оптичних спостережень - адаптивної оптики».

А через кілька років системи адаптивної оптики (АТ) почали ставити на великі інструменти. У 1993 році ними оснастили 360-см телескоп Європейської південної обсерваторії (ESO) в Чилі, трохи пізніше - такий же інструмент на Гаваях, а потім і 8-10-метрові телескопи. Завдяки АТ в наземні інструменти можна спостерігати світила у видимому світлі з роздільною здатністю, яка була долею лише космічного телескопа Hubble, а в інфрачервоних променях - навіть з більш високою. Наприклад, в дуже корисному для астрономії ділянці ближньої інфрачервоної зони з довжиною хвилі 1 мкм Hubble забезпечує дозвіл в 110 кутових мс, а 8-метрові телескопи ESO - до 30 мс.

Насправді, коли французькі астрономи відчували свою систему АТ, в США вже існували аналогічні пристрої. Але створили їх зовсім не для потреб астрономії. Замовником цих розробок був Пентагон.

Очі АТ Сенсор Шека-Хартмана працює так: покинувши оптичну систему телескопа, світло проходить крізь ґрати з невеликих лінз, що направляють його на ПЗС-матрицю Очі АТ Сенсор Шека-Хартмана працює так: покинувши оптичну систему телескопа, світло проходить крізь ґрати з невеликих лінз, що направляють його на ПЗС-матрицю. Якби випромінювання космічного джерела або штучної зірки поширювалося в вакуумі або в ідеально спокійній атмосфері, то все міні-лінзи сфокусували б його строго в центрі відведених їм пікселів. Через атмосферних завихрень точки сходження променів «гуляють» по поверхні матриці, і це дозволяє реконструювати самі обурення.

Коли повітря перешкода

Якщо спостерігати в телескоп дві зірки, розташовані на небосхилі дуже близько один до одного, їх зображення зіллються в одну крапку, що світиться. Мінімальна кутова відстань між такими зірками, обумовлене хвильової природою світла (дифракційну межу), - це і є роздільна здатність приладу, і вона прямо пропорційна довжині хвилі світла і обернено пропорційна діаметру (апертурі) телескопа. Так, для триметрового рефлектора при спостереженнях в зеленому світлі цю межу становить близько 40 кутових мс, а для 10-метрового - трохи більше 10 мс (під таким кутом дрібна монета видно з відстані 2000 км).

Однак ці оцінки справедливі тільки для спостережень в вакуумі. У земній атмосфері постійно виникають ділянки локальної турбулентності, яка кілька сотень разів в секунду змінює щільність і температуру повітря і, отже, його показник заломлення. Тому в атмосфері фронт світлової хвилі від космічного джерела неминуче розпливається. В результаті реальна роздільна здатність звичайних телескопів в кращому випадку становить 0,5-1 кутову секунду і сильно не дотягує до дифракційної межі.

Промацуючи атмосферу Раніше розміри коректованих зон небосхилу обмежувалися клітинами зі стороною в 15 кутових мс Промацуючи атмосферу Раніше розміри коректованих зон небосхилу обмежувалися клітинами зі стороною в 15 кутових мс. У березні 2007 року на одному з телескопів ESO була вперше випробувана мультісопряженная адаптивна оптика (MCAO). Вона промацує турбулентності на різних висотах, що дозволило збільшити розмір корректируемого поля зору до двох і більше кутових хвилин. «У цьому столітті можливості АТ сильно розширилися, - каже« ПМ »професор астрономії та астрофізики Клер Макс, директор Центру адаптивної оптики Каліфорнійського університету в Санта-Крус. - На великих телескопах встановлені системи з двома і трьома деформуються дзеркалами, до числа яких належить і МСАО. З'явилися нові сенсори хвильового фронту і більш потужні комп'ютерні програми. Створено дзеркала з Мікроелектромеханічні актуаторами, що дозволяють змінювати форму поверхні, що відбиває краще і швидше, ніж актуатори на п'єзоелектрик. В останні роки розроблені і випробувані експериментальні системи мультиоб'єктний адаптивної оптики (МОАО), за допомогою яких можна одночасно відстежувати до десяти і більше джерел в полі зору діаметром 5-10 кутових хвилин. Їх встановлять на телескопах нового покоління, які приступлять до роботи в наступному десятилітті ».

дороговказні зірки

Уявімо собі прилад, який сотні разів в секунду аналізує минулі через телескоп світлові хвилі на предмет виявлення слідів атмосферних завихрень і за цими даними змінює форму деформованого дзеркала, розміщеного в фокусі телескопа, щоб нейтралізувати атмосферні перешкоди і в ідеалі зробити зображення об'єкта «вакуумним». В цьому випадку роздільна здатність телескопа обмежується виключно дифракційною межею.

Однак є один нюанс. Зазвичай світло далеких зірок і галактик надто слабкий для надійної реконструкції хвильового фронту. Інша справа, якщо поруч зі спостережуваним об'єктом є яскравий джерело, промені від якого йдуть до телескопа майже таким самим шляхом, - ними щось і можна скористатися для зчитування атмосферних перешкод. Саме таку схему (в дещо урізаному вигляді) в 1989 році випробували французькі астрономи. Вони вибрали кілька яскравих зірок (Денеб, Капелу і інші) і за допомогою адаптивної оптики дійсно поліпшили якість їх зображень при спостереженнях в інфрачервоному світлі. Незабаром такі системи, що використовують зірки-маяки (guide stars) земного небосхилу, почали застосовувати на великих телескопах для реальних спостережень.

Незабаром такі системи, що використовують зірки-маяки (guide stars) земного небосхилу, почали застосовувати на великих телескопах для реальних спостережень

Але яскравих зірок на земному небі трохи, так що ця методика придатна для спостережень лише 10% небесної сфери. Але якщо природа не створила відповідне світило в потрібному місці, можна створити штучну зірку - за допомогою лазера викликати на великій висоті світіння атмосфери, яке стане опорним джерелом світла для компенсує системи.

Цей метод в 1985 році запропонували французькі астрономи Рено Фуа і Антуан Лабейрі. Приблизно тоді ж до аналогічних висновків прийшли і їхні колеги з США Едвард Кібблуайт і Лейрд Томсон. В середині 1990-х лазерні випромінювачі в парі з апаратурою АТ з'явилися на телескопах середніх розмірів в Ликской обсерваторії в США і в обсерваторії Калар Альто в Іспанії. Однак цій техніці знадобилося близько десяти років, щоб вона знайшла застосування на 8-10-метрових телескопах.

Виконавчий елемент системи адаптивної оптики - це деформується дзеркало, згинатися за допомогою п'єзоелектричних або електромеханічних приводів (актуаторов) по командам системи управління, яка отримує і аналізує дані про викривлення від датчиків хвильового фронту Виконавчий елемент системи адаптивної оптики - це деформується дзеркало, згинатися за допомогою п'єзоелектричних або електромеханічних приводів (актуаторов) по командам системи управління, яка отримує і аналізує дані про викривлення від датчиків хвильового фронту.

військовий інтерес

Історія адаптивної оптики має не тільки явну, а й таємну сторону. У січні 1958 року в Пентагоні заснували нову структуру, Управління перспективних оборонних дослідницьких проектів - Advanced Research Projects Agency, ARPA (зараз DARPA), відповідальне за розробку технологій для нових поколінь зброї. Це відомство зіграло першорядну роль в створенні адаптивної оптики: для спостереження за радянськими орбітальними апаратами були потрібні нечутливі до атмосферних перешкод телескопи з максимально високою роздільною здатністю, а в перспективі розглядалася задача створення лазерної зброї для знищення балістичних ракет.

В середині 1960-х під контролем ARPA була запущена програма вивчення атмосферних збурень і взаємодії лазерного випромінювання з повітрям. Цим займалися в дослідницькому центрі RADC (Rome Air Development Center), розташованому на авіабазі Гриффис в штаті Нью-Йорк. В якості опорного джерела світла використовували потужні прожектори, встановлені на пролітають над полігоном бомбардувальниках, і це було настільки вражаючим, що перелякані жителі часом зверталися в поліцію!

В якості опорного джерела світла використовували потужні прожектори, встановлені на пролітають над полігоном бомбардувальниках, і це було настільки вражаючим, що перелякані жителі часом зверталися в поліцію

Навесні 1973 року ARPA і RADC найняли приватну корпорацію Itec Optical Systems для участі в розробці приладів, що компенсують розсіювання світла під дією атмосферних збурень, в рамках програми RTAC (Real-Time Atmospheric Compensation). Співробітники Itec створили всі три головні компоненти АТ - інтерферометр для аналізу збурень світлового фронту, що деформується, дзеркало для їх виправлення і систему управління. Їх перше дзеркало дводюймовим діаметра було зроблено зі скла, покритого відбиває плівкою з алюмінію. У опорну пластинку були вбудовані п'єзоелектричні актуатори (21 штука), здатні під дією електричних імпульсів скорочуватися і подовжуватися на 10 мкм. Уже перші лабораторні тести, проведені в тому ж році, свідчили про успіх. А наступного літа нова серія тестів продемонструвала, що експериментальна апаратура може виправити лазерний промінь вже на відстанях в декілька сотень метрів.

Ці чисто наукові експерименти ще не були засекречені. Однак в 1975 році була затверджена закрита програма CIS (Compensating Imaging System) розробки АТ в інтересах Пентагону. Відповідно до неї були створені більш досконалі сенсори хвильового фронту і деформуються дзеркала з сотнями актуаторов. Цю апаратуру встановили на 1,6-метровому телескопі, розташованому на вершині гори Халеакала на гавайському острові Мауї. У червні 1982 року з її допомогою вперше вдалося отримати фотографії штучного супутника Землі прийнятної якості.

З лазерним прицілом

Хоч експерименти на Мауї тривали ще кілька років, центр розробки перемістився в особливу зону авіабази Кіртленд в штаті Нью-Мексико, на секретний полігон Sandia Optical Range (SOR), де вже давно працювали над лазерною зброєю. У 1983 році група під керівництвом Роберта Фьюгейт приступила до експериментів, в ході яких було вивчити лазерне сканування неоднорідностей атмосфери. Цю ідею в 1981 році висунув американський фізик Джуліус Фейнлейб, і тепер її потрібно було перевірити на практиці. Фейнлейб запропонував використовувати в системах АТ пружне (релєєвськоє) розсіювання квантів світла на неоднорідностях атмосфери. Деякі з розсіяних фотонів повертаються в точку, з якої пішли, і в відповідній ділянці небозводу виникає характерне світіння майже точкового джерела - штучна зірка. Фьюгейт з колегами реєстрували спотворення хвильового фронту відбитого випромінювання на шляху до Землі і порівнювали їх з аналогічними збуреннями зоряного світла, що прийшов з цієї ж ділянки небосхилу. Обурення виявилися майже ідентичними, що підтвердило можливість використання лазерів для вирішення завдань АТ.

Ці вимірювання не вимагали складної оптики - вистачило простих дзеркальних систем. Однак для більш надійних результатів їх треба було повторити на хорошому телескопі, який і був встановлений на SOR в 1987 році. Фьюгейт з помічниками провели на ньому експерименти, в ході яких і народилася адаптивна оптика з рукотворними зірками. У лютому 1992 року було отримано перше значно поліпшене зображення небесного тіла - Бетельгейзе (найяскравішого світила сузір'я Оріона). Незабаром можливості методу продемонстрували на фотографіях ще ряду зірок, кілець Сатурна і інших об'єктів.

Незабаром можливості методу продемонстрували на фотографіях ще ряду зірок, кілець Сатурна і інших об'єктів

Група Фьюгейт запалювала штучні зірки потужними лазерами на парах міді, генерувати 5000 імпульсів в секунду. Настільки висока частота спалахів дозволяє сканувати навіть самі короткоживучі турбулентності. На зміну інтерферометричної сенсорам хвильового фронту прийшов досконаліший сенсор Шека-Хартмана, винайдений на початку 1970-х років (до речі, теж на замовлення Пентагону). Дзеркало з 241 актуатором, поставлене фірмою Itec, могло змінювати форму 1 664 рази в секунду.

підняти вище

Релєєвськоє розсіювання досить слабо, тому його збуджують в діапазоні висот 10-20 км. Промені від штучної опорної зірки розходяться, в той час як промені від набагато більш далекого космічного джерела строго паралельні. Тому їх хвильові фронти спотворюються в турбулентному шарі не зовсім однаково, що позначається на якості скоригованого зображення. Зірки-маяки краще запалювати на більшій висоті, але релєєвського механізм тут непридатний.

Навесні 1991 року Пентагон вирішив зняти гриф секретності з більшої частини робіт по адаптивної оптики. Розсекречені результати 1980-х років стали надбанням астрономів.

Цю проблему в 1982 році дозволив професор Прінстонського університету Уїлл Харпер. Він запропонував скористатися тим, що в мезосфері на висоті близько 90 км багато атомів натрію, що скупчилися там через згоряння мікрометеоритів. Харпер запропонував порушувати резонансне світіння цих атомів за допомогою лазерних імпульсів. Інтенсивність такого світіння при рівній потужності лазера на чотири порядки вище сили світла при релєєвськоє розсіювання. Це була тільки теорія. Її практичне втілення стало можливим завдяки зусиллям співробітників линкольновской лабораторії, розташованій на авіабазі Хенском в штаті Массачусетс. Влітку 1988 року вони отримали перші знімки зірок, виконані за допомогою мезосферних маяків. Однак якість фотографій не було високим, і реалізація методу Харпера зажадала багаторічної шліфування.

B 2013 році був успішно випробуваний унікальний прилад Gemini Planet Imager для фото- та спектрографірованія екзопланет, призначений для восьмиметрових телескопів Gemini B 2013 році був успішно випробуваний унікальний прилад Gemini Planet Imager для фото- та спектрографірованія екзопланет, призначений для восьмиметрових телескопів Gemini. Він дозволяє за допомогою АТ спостерігати планети, чия видима яскравість в мільйони разів менше яскравості зірок, навколо яких вони звертаються.

Навесні 1991 року Пентагон вирішив зняти гриф секретності з більшої частини робіт по адаптивної оптики. Перші повідомлення про неї були зроблені в травні на конференції Американської астрономічної асоціації в Сіетлі. Незабаром пішли і журнальні публікації. Хоча американські військові продовжували займатися адаптивною оптикою, розсекречені результати 1980-х років стали надбанням астрономів.

Праведник

«АТ вперше дала можливість наземним телескопам отримувати дані про структуру дуже далеких галактик, - говорить професор астрономії та астрофізики Клер Макс з університету в Санта-Крус. - До настання ери АТ їх можна було спостерігати в оптичному діапазоні лише з космосу. Всі наземні спостереження руху зірок поблизу надмасивної чорної діри в центрі Галактики ведуться також за допомогою АТ.

АТ багато дала і для вивчення Сонячної системи. З її допомогою отримана велика інформація про пояс астероїдів - зокрема, про подвійні астероїдних системах. АТ збагатила знання про атмосферах планет Сонячної системи і їх супутників. Завдяки їй ось уже років п'ятнадцять ведуться спостереження газової оболонки Титана, найбільшого супутника Сатурна, що дозволили відстежити добові та сезонні зміни його атмосфери. Так що вже накопичений великий масив даних про погодні умови на зовнішніх планетах і їх сателітів.

У певному сенсі адаптивна оптика зрівняла можливості земної і космічної астрономії. Завдяки цій технології найбільші стаціонарні телескопи з їх гігантськими дзеркалами забезпечують куди краще дозвіл, ніж «Хаббл» або ще не запущений ІК-телескоп «Джеймс Уебб». До того ж вимірювальні прилади для наземних обсерваторій не мають жорстких вагових і габаритних обмежень, яким підпорядковано проектування космічної апаратури. Так що зовсім не буде перебільшенням сказати, - закінчила професор Макс, - що адаптивна оптика радикально перетворила багато гілки сучасної науки про Всесвіт ».

Стаття «Щоб зірки не мерехтіли» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №9, Сентябрь 2015 ).


Реклама



Новости