Optyka adaptatywna

Zapewne niejednokrotnie wpatrywaliście się w nocne niebo i widzieliście migoczące gwiazdy. To bardzo romantyczny widok, zwłaszcza spacerując z dziewczyną u swego boku. To co romantyków i poetów wprawia w melancholijny nastrój, astronomów doprowadzało i nadal doprowadza do białej gorączki. Zamiast obserwować wybraną gwiazdę w teleskopie, mruga ona niczym rowerowa, diodowa lampka. W dobie XXI wieku, kiedy jesteśmy w stanie wysłać zaawansowane roboty na Marsa i sondy na odległego Plutona, mogło by się zdawać, że i z tym problemem możemy sobie poradzić. Owszem,myślano już o tym w momencie konstruowania pierwszych dużych teleskopów, jednak na rozwiązanie przyszło czekać aż do końca XX wieku. Dopiero wtedy, technika lotów w kosmos była na tyle rozwinięta, że można było pokusić się o wystrzelenie teleskopu optycznego na orbitę ziemską, pozostawiając tym samym kłopotliwą atmosferę daleko w tyle.

Niestety wynoszenie wszelakich obiektów w przestrzeń kosmiczną, jest czynnością nader skomplikowaną i kosztowną a więc ściśle ograniczoną dla nielicznych. Czy nie można było tego jakoś uprościć, uczynić mniej skomplikowanym, tańszym i bardziej dostępnym od kosmicznego teleskopu? Można było. Niemniej jednak technologia ta była w fazie projektu a misja Kosmicznego Teleskopu Hubble’a była już niemal gotowa i rozpoczęło się ostatecznie odliczanie przed wyniesieniem teleskopu w kosmos. Dodatkowo dochodzi możliwość prowadzenia obserwacji przez całą dobę wszak w kosmosie pojęcie dnia i nocy jest względne. Najdalsze obiekty, znajdujące się miliardy lat świetlnych od Ziemi, świecą światłem tak słabym, że aby je dostrzec, potrzebne są bardzo długie czasy naświetlania liczone w godzinach a nawet dniach. Już na samym początku pracy Hublle’a okazało się, że jego zwierciadło zostało źle wykonane i obrazy jakie były uzyskiwane niebyły zbyt wiele warte, żeby nie powiedzieć bezwartościowe. Tak więc należało wysłać misje serwisową, czyli załogę astronautów w promie kosmicznym z kluczem francuskim i dłutem. Oznaczało to oczywiście potrzebę szkolenia owej załogi, opracowanie planu naprawczego, przygotowania promu kosmicznego no i ostatecznie wystrzelenie go, a to równało się z ogromem niezbędnego czasu i jeszcze większymi pieniędzmi nie wspominając o ryzyku katastrofy promu. Zanim przejdę do technicznych szczegółów, wspomnę, że dla teleskopów optycznych od pierwszego, najprostszego modelu stosowanego przez Galileusza, do obecnie budowanych zaawansowanych, sterowanych komputerowo gigantów, zawsze liczyła się moc zbierania światła czyli wielkość zwierciadła oraz rozdzielczość kątowa lub inaczej – ostrość obrazu. Jest kilka zasadniczych wersji teleskopów ale w tym artykule skupimy się na teleskopach zwierciadlanych. Ponadto obserwację można prowadzić w całym paśmie elektromagnetycznym, niestety z Ziemi tylko w przedziale dla światła widzialnego, bliskiej podczerwieni i fal radiowych albowiem tylko takowe są przepuszczane przez atmosferę Ziemi. Wszystkie inne teleskopy obserwujące Wszechświat, muszą być właśnie wyniesione w kosmos, by móc prowadzić obserwację w pozostałym zakresie widma elektromagnetycznego blokowanego przez atmosferę.

Zniekształcenia obrazu w czasie obserwacji nie są powodowane jedynie warunkami atmosferycznymi. Niemniej ważne są ograniczenia techniczne teleskopu. Typowe amatorskie teleskopy maja lustra o średnicy około 10-20 cm, co przy obecnym stanie technologii nie jest żadnym wyzwaniem. Kłopoty zaczynają się, kiedy zwierciadła luster mierzą 3 metry i więcej. Kluczem do zachowania ostrości obrazu jest idealnie wyprofilowane lustro. Profil lustra, może się zmieniać wraz z temperaturą, zmianą nachylenia zwierciadła czy wilgotnością powietrza. Co więcej, zwierciadła o średnicy kilku metrów odkształcają się pod własnym ciężarem. Początkowo wierzono, że z mechanicznymi przeszkodami związanymi z konstrukcją samego teleskopu uda się w jakimś stopniu wygrać wraz z postępem nauki. Zwierciadła jak i całe mechanizmy poruszające teleskopem a nawet kopuły chroniące przed wiatrem są schładzane a najlepszym okresem do obserwacji (dla sprzętu oczywiście) jest zima. Aby wielotonowe zwierciadło nie wystudzało się po upalnym dniu wiele godzin, całe pomieszczenie gdzie znajduje się teleskop w czasie dnia jest chłodzone aby temperatura zwierciadeł była jak najbardziej zbliżona do prognozowanej temperatury w czasie nocnych obserwacji. Wpływ atmosfery na jakość obrazu był traktowany jako przeszkoda nie do ominięcia dla teleskopów naziemnych. W latach 80, kiedy rozpoczęto konstruowanie teleskopów ze zwierciadłami powyżej 4 metrów, stało się jasne, że osiągnięto limit technicznych możliwości. Trzeba było opracować nową technikę, która pozwoliłaby na wprowadzanie bieżących korekt do otrzymywanego obrazu.

Optyka aktywna

Siłowniki pod lustrem głównym Gran Telescopio Canarias. Jak widać są to dość pokaźne siłowniki a lustro składa się z 36 mniejszych luster w kształcie heksagonu.

Technika ta została użyta po raz pierwszy w latach 80′ przy teleskopach ze zwierciadłem powyżej 3 metrów. Do tej pory, aby zapewnić zwierciadłu jak najlepszą sztywność i odporność na odkształcenia, było ono grube a co za tym idzie, bardzo ciężkie (waga nawet powyżej kilkunastu ton). Cóż, nie można w nieskończoność powiększać wagi zwierciadła wraz z jego średnicą, albowiem powodowało to nagły wzrost błędów jakie powstawały w momencie kurczenia się lub rozszerzania pod wpływem temperatury czy grawitacji. Rozwiązaniem była optyka aktywna. Polega ona na „podtrzymywaniu” głównego lustra przez siłowniki sterowane komputerowo. Analiza jest dokonywana na bieżąco, co pozwala dynamicznie kształtować zwierciadło z częstotliwością około raz na sekundę. Technika ta pozwala na utrzymanie w optymalnym kształcie zwierciadła głównego, które odkształca się pod wpływem własnego ciężaru (wraz ze zmianą położenia teleskopu), temperatury czy wiatru. Technikę tę zastosowano po raz pierwszy w Europejskim Obserwatorium Południowym przy budowie NTT (New Technology Telescope) oraz wielokrotnie już w późniejszych latach, między innymi w teleskopach Keck’a na Hawajach. W tym miejscu nadmienić trzeba, że aby zastosować optykę aktywną, potrzebne są specjalne lustra, które poddadzą się dynamicznemu kształtowaniu. Najczęściej są to lustra składające się z kilkunastu/kilkudziesięciu mniejszych luster a całość ma kształt plastra miodu tak jak przykładowe lustra teleskopów Keck’a. Niestety nadal nie potrafiono poradzić sobie ze zniekształceniami powodowanymi przez atmosferę ziemską.

Optyka adaptatywna

Setki mikro siłowników zaprojektowanych dla potrzeb wtórnego zwierciadła Large Binocular Telescope (LBT) w Arizonie.

A więc z odkształceniami zwierciadła już sobie poradziliśmy. Czas na zniwelowanie problemu atmosfery. Skoro byliśmy w stanie zbudować bombę atomową i wysłać człowieka na Księżyc to i z tym problemem powinniśmy sobie poradzić. Pierwsze teoretyczne prace opisujące możliwość korekcji błędów obrazu spowodowanych atmosferą ziemską, powstały w latach 50’tych, ale dopiero rozwój technik informatycznych i wzrost mocy obliczeniowej komputerów, który nastąpił z początkiem lat 90’tych, umożliwił przejście z teorii do praktyki. I tak kolejnym milowym krokiem, było opracowanie technologi zwanej optyką adaptatywną, która miała ogromy wpływ na przyszłość naziemnych obserwatoriów.
Jest to technika bardzo podobna do optyki aktywnej, aczkolwiek znacznie bardziej zaawansowana i skomplikowana. Teraz, aby poradzić sobie ze zniekształceniami powodowanymi przez atmosferę, system musiał być o wiele szybszy i wydajniejszy. Analiza musiała być dokonywana w czasie rzeczywistym, a lustra jakie były wykorzystywane przy konstruowaniu nowych teleskopów wymagały opracowania nowych technik ich produkcji. Jak działa OA? Otóż w momencie gdy czoło fali świetlej (obraz) wpada do teleskopu, jest analizowane przez specjalnie stworzone do tego celu sensory, których zadaniem jest analiza zniekształcenia owej fali światła. Sygnał z sensorów jest wysyłany do jednostki obliczeniowej, która z kolei „w locie” oblicza poprawki jakie trzeba wykonać na lustrze wtórnym by zniekształconą falę skorygować (wyprostować). Odbywa się to z zawrotną częstotliwością od 100 do 1000 razy na sekundę, z dokładnością do mikrometra. Aby było to możliwe, zastosowano miniaturowe piezoelektryczne siłowniki (działające na zasadzie elektromagnesu) a przeciętne lustro ma grubość około 1,5 mm. Wspomnieć tu należy, że OA nie stosuje się na pierwotnym lustrze (największym), które ma kilka metrów średnicy (na nim stosuje się najczęściej optykę aktywną), lecz na wtórnym lub kolejnym z kilku w zależności od układu w jakim teleskop został zbudowany.

Wiązka lasera używanego w Very Large Telescope (ESO).

A skąd wiadomo jak obserwowany obiekt wygląda w rzeczywistości, aby móc nanieść odpowiednie poprawki do zniekształconej fali świetlnej? I ten problem rozwiązano dość pomysłowo. Najprostszym sposobem, jest obserwacja jasnej, sąsiadującej odpowiednio blisko gwiazdy. Przyjmuje się, że światło z niej pochodzące, przechodzi przez tę samą warstwę atmosfery i jest identycznie zniekształcone. A co jeśli w pobliżu nie ma odpowiedniej gwiazdy? Cóż, najlepiej taką stworzyć samemu! Można tego dokonać wystrzeliwując w atmosferę wiązkę laserową o odpowiedniej długości fali (589 nm), która wzbudza atomy sodu znajdujące się w wyższych partiach atmosfery. Atomy sodu zaczynają świecić lekką poświatą, która z powodzeniem imituje gwiazdę referencyjną .

Yes, we can!

Myślę, że pokrótce udało mi się przybliżyć Wam idee i zasady działania technik korekcji obrazu stosowanych w naziemnych teleskopach. Najlepszym dowodem na słuszność obranej drogi w rozwój wspomnianych technik, niech posłużą zdjęcia wykonane przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a oraz zdjęcia tych samych obiektów wykonane z naziemnych obserwatoriów. Wiele z nich jest wyraźniejszych od zdjęć wykonanych przez Hubble’a! Naziemne teleskopy posiadają także tę przewagę, że mogą działać jako interferometr ale to technika ograniczona do niewielkiej liczby teleskopów i materiał na oddzielny wpis. Na koniec jako ciekawostkę dodam, że te same techniki są stosowane w satelitach obserwujących Ziemie, wszak atmosfera ziemska działa podobnie w dwie strony.

Reklamy

2 uwagi do wpisu “Optyka adaptatywna

  1. Już kiedyś na innym portalu pytała i w sumie nikt mi odpowiedzi nie udzielił ostatecznie: dlaczego nie produkuje się teleskopów o lustrach z kształcie wycinka koła (np. 1/10) i nie składa potem tego obrazu.
    Oczywiście wiadomo że nie chodzi o składanie jak zdjęcia panoramicznego, ale obróbka cyfrowa nie powinna mieć z tym trudności. Odcinek koła można by było obracać (co 36 stopni) wykonując serię 10 „odcinkowych” zdjęć. Samo lustro z mechanizmem były by 10 razy tańsze (powiedzmy 8), a więc spokojnie można by było wykonać na tej zasadzie lustra o 2 razy większej średnicy koła – w tej samej cenie.
    Oczywiście takie „składany” teleskop nie mógłby wykonać zdjęć obiektów ruchomych, lecz tylko te bardziej statyczne.
    Jestem dyletantką, ale czasem dyletantom przychodzą do głowy pomysły pozornie nierealne dla profesjonalistów. Może warto ten pomysł pociągnąć dalej?

    Lubię to

  2. O! I tu masz zupełną rację z tymi pozornie nierealnymi pomysłami. Co prawda nie jestem astrofizykiem czy specjalistą od optyki, ale nie pomyślałem wcześniej nad takim rozwiązaniem. Podejrzewam jednak, że już dawno ktoś wpadł na taki pomysł, a że nie spotyka się takowych teleskopów (ja przynajmniej nie słyszałem), to prawdopodobnie pomysł nie jest najlepszy. Wszystko zależy od wielkości lustra (i obiektów jakie ma fotografować). Jeżeli jest ono małe, to nie ma potrzeby komplikowania jego budowy. Nad Twoim pomysłem można by się pochylić w przypadku luster, które pod wpływem własnego ciężaru odkształcają się. Pamiętać jednak należy, że lustro typowego teleskopu, jest wyprofilowanym monolitem. W celu zapobiegania jego odkształceniom, jak można przeczytać wyżej, wynaleziono optykę aktywną. Tymczasem, gdyby pociąć takowe hipotetyczne, monolityczne zwierciadło na przykładowo 10 części i użyć jednego z nich, to pomimo iż byłoby dziesięciokrotnie lżejsze, to użyty wycinek nadal musiałby zachować odpowiedni kształt! Przyjmijmy, ze takowe zwierciadło miałoby trzy metry średnicy, czyli użyty wycinek, miałby półtora metra długości. Podejrzewam, że nadal powodowało by to problemy z utrzymaniem pożądanego kształtu wycinka lustra, zwłaszcza w momentach jego obrotu w celu zatoczenia pełnego koła. Przypomnę też, że najczęściej teleskopy są nachylone pod pewnym kątem do płaszczyzny Ziemi, więc zmieniające się położenie wycinka lustra, podlega ciągłym, zmiennym naprężeniom. W celu ich wyeliminowania, zastosowano by zapewne optykę aktywną, do tego dochodzi mechanizm obrotu wycinkiem lustra. Wymagało by to zastosowania skomplikowanych algorytmów obliczeniowych w komputerach odpowiedzialnych za finalny otrzymany obraz. A jeśli dołożyć do tego mechanizm optyki adaptatywnej w celu korekcji zaburzeń spowodowanych atmosferą? Wyłaniać zaczyna się bardzo skomplikowany mechanizm, niezbędny do skonstruowania takiego teleskopu. Tak więc doszliśmy do miejsca, gdzie uważam osobiście konstrukcję takowego obserwatorium za zbyt problematyczną, lub wręcz błędną z punktu widzenia optyki (na której się oczywiście nie znam :). Dziękuję za ciekawe pytanie i zapraszam do dalszych pytań i odwiedzin!

    Lubię to

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s