Haben Sie sich jemals gefragt, wie moderne astronomische Observatorien so klare Bilder von weit entfernten Objekten aufnehmen? Fortschritte im Spiegeldesign haben immer größere Hauptspiegel ermöglicht. Aber auch adaptive Optik spielt eine große Rolle.
Die Erdatmosphäre macht den Planeten lebenswert. Ohne sie ist die Erde eine unfruchtbare Welt. Aber dasselbe, was uns schützt und erhält, ist auch ein Hindernis für die Astronomie. Die Atmosphäre kann viel „Rauschen“ in Bilder von astronomischen Observatorien einbringen.
Thermische Ströme können eine Art „Form“ in die Atmosphäre einbringen und eine sogenannte Wellenfrontverzerrung erzeugen. Das kann Teleskopbilder verzerren. Wenn sich das Beobachtungsziel in großer Entfernung befindet, Zehntausende oder sogar Hunderttausende von Lichtjahren, kann dieses Rauschen viele der wissenschaftlichen Informationen in diesen Bildern verschleiern.
Verzerrung der Wellenfront. Die ebene Wellenfront ist das Licht von weit entfernten Objekten. Das inhomogene Medium ist die Atmosphäre. Die gestörte Wellenfront ist das, was Teleskope „sehen“. Bildnachweis: Von 2pem – Eigene Arbeit, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15279464
Adaptive Optik (AO) wurden entwickelt, um das Problem zu lösen.
AO funktioniert, indem es zuerst alle eingehenden Wellenfrontverzerrungen erkennt. Dann justiert oder verformt es die Spiegel des Teleskops, um sich daran anzupassen. Dazu verwenden AO-Systeme auf astronomischen Observatorien Leitsterne.
Ein Leitstern, der auf dem 8,2 m Very Large Telescope (Yepun) verwendet wird, um M33 abzubilden und die Entfernung zu dieser Galaxie abzuleiten (Bildnachweis: ESO).
Es gibt einige natürliche Sterne am Himmel, die als Leitsterne verwendet werden können, aber sie sind nicht über den ganzen Himmel verteilt, was ihre Nützlichkeit und den Betrieb von Observatorien einschränkt. Moderne Observatorien nutzen größtenteils Laserleitsterne . Sie sind künstliche Sterne, die geschaffen wurden, um dem AO-System mitzuteilen, wie es sich an die Sehbedingungen anpassen soll. Sie arbeiten immer noch in Verbindung mit einem natürlichen Stern, aber in diesem Fall muss der natürliche Stern nicht sehr hell sein, sodass Laserleitsterne es ermöglichen, dass Teleskope in jedem Teil des Himmels arbeiten. Auch wenn keine hellen, natürlichen Sterne in der Nähe sind.
Ein neues Side-by-Side-Bild aus dem NoirLab der National Science Foundation zeigt deutlich den Unterschied zwischen einem Bild von einem Teleskop mit einem AO-System und einem ohne.
Dieses Bild zeigt einen Vergleich der neuen Aufnahme (oben) der Westwand des Carina-Nebels, die vom internationalen Gemini-Observatorium, einem Programm des NOIRLab der NSF, aufgenommen wurde, und einer Aufnahme derselben Region ohne adaptive Optik (unten). Bildnachweis oben: Gemini South Telescope. Bild unten: Interamerikanisches Observatorium.
In den obigen Vergleichsbildern wurde das obere mit dem Gemini South-Teleskop mit dem GSAOI-Instrument unter Verwendung des adaptiven Optiksystems GeMS aufgenommen. Das untere Bild wurde am Cerro Tololo Inter-American Observatory mit dem Víctor M. Blanco 4-Meter-Teleskop mit dem NEWFIRM-Instrument aufgenommen.
Adaptive Optiksysteme in modernen Sternwarten suchen immer nach der perfekten Korrektur, ohne sie zu finden. In einem Vortrag bei der Ames Summer Series 2018 der NASA sprach Claire Max ausführlich über AO-Systeme. Max ist Professorin für Astronomie und Astrophysik an der University of California, Santa Cruz, wo sie Direktorin der University of California Observatories ist.
Das Grundproblem bei astronomischen Beobachtungen besteht darin, dass eine Wellenfrontverzerrung den Lichtweg so verändert, dass die Lichtstrahlen nicht mehr parallel sind. Wenn sie nicht parallel sind, können sie nicht effektiv fokussiert werden und die Bilder sind verschwommen.
Parallele Lichtstrahlen können fokussiert werden. Von Turbulenzen betroffene Lichtstrahlen sind jedoch unscharf, wenn sie fokussiert werden. Bildquelle: NASA/Ames/Claire Max
In ihrem Vortrag erklärte Max: 'Das optische System erwartet, dass die Strahlen parallel kommen, aber das ist nicht der Fall, also erhalten Sie dieses unscharfe Bild.' Adaptive Optik ist die Lösung für dieses Problem.
Die Turbulenzen in der Atmosphäre ändern sich ständig. Das AO-System muss also in Echtzeit weiterarbeiten. In einigen Observatorien kann sich das System Hunderttausende Male pro Sekunde anpassen.
Dies ist ein Schema eines geschlossenen Regelkreises, einer Art adaptivem Optiksystem. Bildquelle: NASA/Ames/Claire Max
Das obige Bild zeigt die Funktionsweise eines geschlossenen Regelkreises. Wenn Licht zunächst in das Teleskop eintritt, wird es auch nach dem Hauptspiegel noch von der Atmosphäre verzerrt. Das AO-System ändert die Form des adaptiven Spiegels in das Gegenteil der verzerrten Wellenfront. An diesem Punkt ist das Licht größtenteils korrigiert.
Als nächstes „stiehlt“ der Beamsplitter einen Teil des Lichts und lenkt es zu einem Wellenfrontsensor, wo es erneut gemessen wird, und zurück zum Kontrollsystem. Der Großteil des Lichts wird an eine Kamera gesendet, um Bilder aufzunehmen, oder an einen Spektrographen oder ein anderes Instrument. Das Licht, das zum Kontrollsystem zurückgeht, ist, wie das gesamte AO-System kontinuierlich „den Unterschied zwischen einer perfekten Wellenfront und dem, was Ihr deformierter Spiegel beim letzten Zeitstempel gemacht hat“, korrigiert, wie Max in . sagte ihr redet . Auf diese Weise rückt das System auf sich selbst zurück.
„Du hast fast eine perfekte Korrektur, aber nicht ganz…“, sagte Max. Die Messungen und Korrekturen sind nie perfekt und auch die Eigenschaften der Wellenfront ändern sich ständig.
Die Entwicklung von AO-Systemen war für moderne astronomische Observatorien von enormem Nutzen. Aber es gibt noch einige Herausforderungen, die eine noch bessere AO erfordern.
Das Giant Magellan Telescope wird sieben 8,4-m-Spiegel mit der Leistung eines 24,5-m-Spiegels haben. Das GMT wird sechs Laserleitsterne verwenden. Bildquelle: GMT-Konsortium
Zum einen ist es bei kürzeren Wellenlängen des Lichts weniger effektiv. Während aktuelle AO-Systeme für Infrarot sehr effektiv sind, besteht die Notwendigkeit, AO-Systeme zu entwickeln, die mit sichtbarem Licht besser funktionieren. Für sichtbares Licht benötigen AO-Systeme schnellere Reaktionszeiten, hellere Leitsterne oder Laserleitsterne und mehr Aktuatoren am verformbaren Spiegel.
Wenn wir bessere Systeme für sichtbares Licht entwickeln können, könnten Bodenteleskope sogar eine bessere Leistung erbringen als das James-Webb-Weltraumteleskop, das keinen atmosphärischen Wellenfrontverzerrungen unterliegt.
In naher Zukunft werden Teleskope wie das Giant Magellan Telescope, das Extremely Large Telescope und das Thirty Meter Telescope ans Netz gehen. Fortschrittlichere AO-Systeme werden ein Teil dieser zukünftigen Teleskope sein. Es wird eine sehr aufregende Zeit in der Astronomie.
