Как работает адаптивная оптика?

Астрономические обсерватории используют несколько методов для компенсации искажений изображений, вызванных нашей атмосферой. Автор: Astronomy Staff | Опубликовано: 13 января 2025 г.
На этой паре фотографий показана одна и та же область туманности Карина, снятая с использованием (вверху) и без адаптивной оптики. Верхнее изображение было получено с помощью 8,1-метрового телескопа Gemini South с использованием его системы адаптивной оптики Gemini Multi-Conjugate; нижнее было получено с помощью 4-метрового телескопа Víctor M. Blanco. Кредит: International Gemini Observatory/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA. Благодарность: PI: Patrick Hartigan (Университет Райса). Обработка изображений: Patrick Hartigan (Университет Райса), Travis Rector (Университет Аляски в Анкоридже), Mahdi Zamani & … Давиде де Мартин

Можно ли заставить телескоп вибрировать с нужной частотой, чтобы противостоять атмосферному мерцанию звезд?

Роберт Байерли
Виндзор, Калифорния

Да, можно! Это один из аспектов адаптивной оптики, который астрономические обсерватории могут использовать для компенсации искажений в астрономических изображениях, вызванных нашей атмосферой.

Давайте сначала подготовим сцену: звезды мерцают, потому что на Земле мы наблюдаем их через воздух. Воздух — это жидкость, как и вода, и его турбулентные движения искажают входящий свет, подобно тому, как объекты на дне бассейна или пруда кажутся искаженными, когда вы смотрите на них сверху.

Итак, адаптивная оптика предназначена именно для этого: адаптироваться к изменениям в атмосфере, чтобы по сути «отменить» турбулентность и создать четкие, неискаженные изображения. Профессиональные обсерватории делают это не путем вибрации телескопа, а путем тонкой деформации поверхности зеркала телескопа именно таким образом, чтобы исправить или «выпрямить» перепутанные, искаженные изображения, которые они получают через атмосферу.

Система адаптивной оптики измеряет искажение входящего света и компенсирует его, создавая четкие и ясные изображения. Свет от телескопа отражается от адаптивного зеркала и проходит через светоделитель, который разделяет его на два луча. Один луч (внизу слева) отправляется на датчик волнового фронта, который измеряет искажение света, вызванное его прохождением через атмосферу Земли. Система управления использует эту информацию для тонкой деформации адаптивного зеркала с целью компенсации. Полученный скорректированный свет отправляется в камеру телескопа для научной визуализации (внизу справа). Система является итеративной, с измерениями волнового фронта и коррекцией зеркала, происходящими примерно 1000 раз в секунду. Кредит: Астрономия: Роен Келли, по К. Максу Деформируемые зеркала построены с множеством крошечных приводов, которые толкают или тянут поверхность зеркала, распределенную по задней стороне зеркала — обычно вторичной. Специализированная компьютерная система, которая включает в себя устройство, называемое датчиком волнового фронта, затем обнаруживает «форму» входящих световых волн и определяет в реальном времени, как деформировать зеркало для компенсации. Это часто делается с помощью лазерной направляющей звезды, сильного лазерного луча, выпущенного в небо, который обеспечивает «идеальный» пример звезды, искажение которой измеряется, чтобы система могла его исправить. По сути, система знает, как должно выглядеть пятно лазера на небе, поэтому она измеряет, как отличается наблюдаемое пятно, и вычисляет, как изменить поверхность зеркала, чтобы оно отражало идеальное пятно, как и ожидалось. Системы адаптивной оптики обычно работают на частоте около 1000 герц, что означает, что измерения и исправления производятся примерно 1000 раз в секунду.

Вторичный может также наклоняться или поворачиваться для внесения дополнительных корректировок — это более ограниченная коррекция, чем деформация зеркала (хотя больше похожа на вибрации, которые вы предлагаете), но все еще часто используется в тандеме с деформируемым зеркалом для дополнительной коррекции изображения.

Системы адаптивной оптики теперь доступны для использования на многих крупных профессиональных телескопах, хотя, как всегда, есть ограничения. Область поля зрения телескопа, которую можно скорректировать, обычно намного меньше всего поля, которое он способен видеть, хотя существуют более новые, более сложные методы, которые используют несколько лазеров или зеркал для улучшения этого. Эти системы также исторически работают в оптическом диапазоне длин волн, хотя их использование в инфракрасных наблюдениях улучшается и увеличивается.

Кроме того, если телескоп не может генерировать собственную лазерную направляющую звезду, астрономы должны полагаться на яркую звезду поля вблизи объекта, который они хотят наблюдать, чтобы использовать ее в качестве ориентира, что не всегда доступно. Обсерватории, которые используют лазерные направляющие звезды, обычно имеют встроенные системы обнаружения самолетов, чтобы гарантировать, что лазер никогда не пересечет путь любых самолетов, пролетающих над ними; если система безопасности не работает или пролетает самолет, лазерная направляющая звезда не может быть использована.

Элисон Клесман
Старший редактор

Читайте также: Проблемы освоения космоса