Billedkredit: NSO
Et nyt adaptivt optiksystem hjælper National Solar Observatory med at tage meget mere levende billeder af solen. Med det nye NSO-system; Imidlertid kan solteleskoper nu bygges 4 meter og større. Dette skulle gøre det muligt for solastronomer at bedre forstå processerne med solmagnetisme og andre aktiviteter.
Imponerende, skarpe billeder af solen kan produceres med et avanceret adaptivt optisk system, der giver nyt liv til eksisterende teleskoper og åbner vejen for en generation af solteleskoper med stor blænde. Dette AO-system fjerner uskarphed introduceret af Jordens turbulente atmosfære og giver således en klar vision af solens mindste struktur.
Det nye AO76-system - Adaptive Optics, 76 subapertures - er det største system designet til solobservationer. Som demonstreret for nylig af et team ved National Solar Observatory på Sunspot, NM, producerer AO76 skarpere billeder under dårligere synlige forhold for atmosfærisk forvrængning end AO24-systemet, der er anvendt siden 1998.
“Første lys” med det nye AO76-system var i december 2002, efterfulgt af test, der startede i april 2003 med et nyt højhastighedskamera, der forbedrede systemet markant.
”Hvis de første resultater i slutningen af 2002 med prototypen var imponerende,” sagde Dr. Thomas Rimmele, AO-projektforsker ved NSO, ”Jeg vil kalde den præstation, vi får nu, virkelig forbløffende. Jeg er meget begejstret for den billedkvalitet, der leveres af dette nye system. Jeg tror, det er rimeligt at sige, at de billeder, vi får, er de bedste, der nogensinde er produceret af Dunn-solteleskopet. ” Dunn er en af landets fremste solobservationsfaciliteter.
Program med dobbelt formål
Det nye højordre AO-system tjener to formål. Det vil gøre det muligt for eksisterende solteleskoper, ligesom den 76 cm (30 tommer) Dunn, at producere billeder i højere opløsning og i høj grad forbedre deres videnskabelige output under en bredere vifte af synlige forhold. Det demonstrerer også evnen til at skalere systemet op for at muliggøre en ny generation af instrumenter med stor blændeåbning, herunder det foreslåede 4-meters Advanced Technology Solar Telescope (se nedenfor), der vil se i højere opløsninger, end nuværende teleskoper kan opnå.
Observationer med høj opløsning af solen er blevet stadig vigtigere til at løse mange af de enestående problemer inden for solfysik. At studere fysikken i fluxelementer, eller solens fine struktur generelt, kræver spektroskopi og polarimetri af de fine strukturer. Eksponeringerne er typisk ca. 1 sekund lang, og den opløsning, der i øjeblikket opnås i spektroskopiske / polarimetriske data, er typisk 1 lysbue, hvilket er utilstrækkeligt til undersøgelse af fine solkonstruktioner. Endvidere forudsiger teoretiske modeller strukturer under opløsningsgrænserne for 0,2 lysbuer for eksisterende solteleskoper. Iagttagelser er nødvendige under 0,2 buesekunders opløsningsgrænse for at studere de vigtige fysiske processer, der forekommer på så små skalaer. Kun AO kan tilvejebringe en konstant rumlig opløsning på 0,1 bue-sekund eller bedre fra jordbaserede observatorier.
AO-teknologi kombinerer computere og fleksible optiske komponenter for at reducere virkningerne af atmosfærisk sløring (“se”) på astronomiske billeder. Sunspots sol AO76-system er baseret på Shack-Hartmann korrelerende teknik. I det væsentlige opdeler dette et indkommende billede i en række underværker, der ses af et bølgefront sensorkamera. Én underapertur er valgt som et referencebillede. Digitale signalprocessorer (DSP'er) beregner, hvordan man justerer hver underapertur, så den passer til referencebilledet. DSP'erne beordrer derefter 97 aktuatorer til at omforme et tyndt, 7,7 cm (3-tommer) deformerbart spejl for at annullere meget af sløret. DSP'en kan også køre et tilt / tip spejl, monteret foran AO-systemet, der fjerner grov billedbevægelse forårsaget af atmosfæren.
Lukning af løkken for skarpere billeder
”En stor udfordring for astronomer er at korrigere lyset, der kommer ind i deres teleskoper for virkningen af Jordens atmosfære,” forklarede Kit Richards, NSOs AO-ledende projektingeniør. "Luft med forskellige temperaturer, der blander sig over teleskopet, gør atmosfæren som en gummilinse, der omformer sig cirka hundrede gange hvert sekund." Dette er mere alvorligt for solastronomer, der observerer i løbet af dagen med solen, der varmer jordoverfladen, men får stadig stjernerne til at glimte om natten.
Endvidere ønsker solfysikere at undersøge udvidede lyse regioner med lav kontrast. Det gør det mere udfordrende for et AO-system at korrelere de samme dele af flere lidt forskellige underordninger og at opretholde korrelationen fra den ene billedramme til den næste, når atmosfæren ændrer form.
(Nattronomi har brugt en anden teknik i flere år. Lasere genererer kunstige ledestjerner i atmosfæren, hvilket lader astronomer måle og korrigere for atmosfærisk forvrængning. Dette er ikke praktisk med instrumenter, der observerer solen.)
I 1998 var NSO banebrydende for brugen af et AO24-system med lav ordre til solobservationer. Den har 24 åbninger og kompenserer 1.200 gange / sekund (1.200 Hertz [Hz]). Siden august 2000 fokuserede teamet på at skalere systemet op til den høje ordre AO76 med 76 åbninger og korrigere dobbelt så hurtigt, 2.500 Hz. Gennembrudene startede i slutningen af 2002.
Først blev servoløkken lukket med succes på det nye højordre-AO-system under dets første teknikkørsel på Dunn i december. I et ”lukket loop” -servosystem føres output tilbage til input, og fejlene drives til 0. Et “open loop” -system registrerer fejlene og foretager korrektioner, men den korrigerede output sendes ikke tilbage til input. Servosystemet ved ikke, om det fjerner alle fejlene eller ej. Denne type system er hurtigere, men meget svært at kalibrere og holde kalibreret. På dette tidspunkt brugte systemet et DALSA-kamera, der fungerer ved 955 Hz, som den midlertidige bølgefrontesensor. Den optiske opsætning blev ikke afsluttet og foreløbig; “Bare-bone” -software betjente systemet.
Højhastighedsbølgefront sensor
Selv i denne foreløbige tilstand - beregnet til at demonstrere, at komponenterne arbejdede sammen som et system - og under middelmådige synsvilkår, producerede det høje ordre AO-system imponerende, diffraktionsbegrænsede billeder. Tidssekvenser af korrigerede og ukorrekte billeder viser, at det nye AO-system giver en ret konsistent billedbehandling i høj opløsning, selv når udsigten varierer betydeligt, som det er typisk for dagtimerne.
Efter denne milepæl installerede teamet et nyt højhastighedsbølgesensorkamera, der blev udviklet til AO-projektet af Baja Technology og NSOs Richards. Det fungerer med 2.500 billeder / sekund, hvilket mere end fordobler den mulige servo-båndbredde med DALSA-kameraet. Richards implementerede også forbedret kontrolsoftware. Derudover blev systemet opgraderet til at drive tip / vippekorrektions spejlet enten direkte fra AO-bølgefrontetsensoren eller fra et separat korrelations- / spot tracker-system, der fungerer ved 3 kHz.
Den nye højordre AO76 blev først testet i april 2003 og begyndte straks at producere fremragende billeder under et bredere udsyn af synsvilkår, der normalt ville udelukke billeder i høj opløsning. Den nye højordre AO76 blev først testet i april 2003 og begyndte straks at producere fremragende billeder under et bredere udsyn af synsvilkår, der normalt ville udelukke billeder i høj opløsning. Slående forskelle med AO på kontra mod er let synlige i billeder af aktive områder, granulering og andre funktioner.
”Det betyder ikke, at det at se ikke betyder noget mere,” bemærkede Rimmele. ”Tværtimod er det stadig begrænsende faktorer at se effekter som anisoplanatisme - bølgefrontforskelle mellem korrelationsmålet og det område, vi vil undersøge. Men ved halvvejs anstændigt at se kan vi låse os fast på granulering og optage fremragende billeder. ”
For at muliggøre store instrumenter som Advanced Technology Solar Telescope, skal det høje ordre AO-system skaleres op mere end ti gange til mindst 1.000 underbaner. Og NSO ser ud over det til en mere kompleks teknik, multiconjugate AO. Denne tilgang, der allerede er udviklet til astronomi om natten, bygger en tredimensionel model af det turbulente område snarere end at behandle det som en simpel forvrænget linse.
På nuværende tidspunkt vil projektteamet imidlertid fokusere på færdiggørelsen af den optiske opsætning ved Dunn, installation af AO-bænken ved Big Bear Solar Observatory efterfulgt af tekniske kørsler, optimering af genopbygningsligninger og servoløbekontroller og karakterisering af systemet ydeevne på begge steder. Dunn AO-systemet skal derefter komme i drift i efteråret 2003. Diffraktionen Limited Spectro-Polarimeter (DLSP), det vigtigste videnskabsinstrument, der kan drage fordel af den diffraktionsbegrænsede billedkvalitet leveret af den høje ordre AO, er planlagt til sine første idriftsættelse i efteråret 2003. NSO udvikler DLSP i samarbejde med High Altitude Observatory i Boulder.
Original kilde: NSO News Release
