Bildnachweis: NSO
Ein neues adaptives Optiksystem hilft dem National Solar Observatory, die Sonne viel lebendiger zu fotografieren. Mit dem neuen NSO-System; Solarteleskope können jetzt jedoch ab 4 Metern gebaut werden. Dies sollte es Solarastronomen ermöglichen, die Prozesse des Sonnenmagnetismus und anderer Aktivitäten besser zu verstehen.
Beeindruckende, scharfe Bilder der Sonne können mit einem fortschrittlichen adaptiven optischen System erzeugt werden, das vorhandenen Teleskopen neues Leben einhaucht und den Weg für eine Generation von Solarteleskopen mit großer Apertur ebnet. Dieses AO-System beseitigt Unschärfen, die durch die turbulente Erdatmosphäre verursacht werden, und bietet so eine klare Sicht auf die kleinste Struktur der Sonne.
Das neue AO76-System - Adaptive Optics, 76 Subaperturen - ist das größte System für Sonnenbeobachtungen. Wie kürzlich von einem Team des National Solar Observatory in Sunspot, New Mexico, gezeigt wurde, erzeugt AO76 unter schlechteren Sichtbedingungen für atmosphärische Verzerrungen schärfere Bilder als das seit 1998 eingesetzte AO24-System.
„Erstes Licht“ mit dem neuen AO76-System war im Dezember 2002, gefolgt von Tests ab April 2003 mit einer neuen Hochgeschwindigkeitskamera, die das System erheblich verbesserte.
"Wenn die ersten Ergebnisse Ende 2002 mit dem Prototyp beeindruckend wären", sagte Dr. Thomas Rimmele, der AO-Projektwissenschaftler am NSO, "würde ich die Leistung, die wir jetzt bekommen, wirklich erstaunlich nennen." Ich bin ziemlich begeistert von der Bildqualität, die dieses neue System liefert. Ich glaube, es ist fair zu sagen, dass die Bilder, die wir erhalten, die besten sind, die jemals vom Dunn-Solarteleskop produziert wurden. “ Das Dunn ist eine der führenden Solarbeobachtungsanlagen des Landes.
Dual-Purpose-Programm
Das neue AO-System höherer Ordnung dient zwei Zwecken. Damit können vorhandene Solarteleskope wie das 76-cm-Dunn Bilder mit höherer Auflösung erzeugen und ihre wissenschaftliche Leistung unter einem größeren Bereich von Sehbedingungen erheblich verbessern. Es zeigt auch die Fähigkeit, das System zu skalieren, um eine neue Generation von Instrumenten mit großer Apertur zu ermöglichen, einschließlich des vorgeschlagenen 4-Meter-Solarteleskops mit fortschrittlicher Technologie (siehe unten), das bei höheren Auflösungen als derzeitige Teleskope erzielt werden kann.
Hochauflösende Beobachtungen der Sonne werden immer wichtiger, um viele der noch offenen Probleme der Sonnenphysik zu lösen. Das Studium der Physik von Flusselementen oder der solaren Feinstruktur im Allgemeinen erfordert Spektroskopie und Polarimetrie der Feinstrukturen. Die Belichtungen sind typischerweise etwa 1 Sekunde lang und die derzeit in spektroskopischen / polarimetrischen Daten erreichte Auflösung beträgt typischerweise 1 Bogensekunde, was für die Untersuchung feiner Sonnenstrukturen nicht ausreicht. Darüber hinaus sagen theoretische Modelle Strukturen unterhalb der Auflösungsgrenzen von 0,2 Bogensekunden bestehender Solarteleskope voraus. Unterhalb der Auflösungsgrenze von 0,2 Bogensekunden sind Beobachtungen erforderlich, um die wichtigen physikalischen Prozesse zu untersuchen, die in so kleinen Maßstäben ablaufen. Nur AO kann von bodengestützten Observatorien aus eine konsistente räumliche Auflösung von 0,1 Bogensekunden oder besser liefern.
Die AO-Technologie kombiniert Computer und flexible optische Komponenten, um die Auswirkungen von atmosphärischen Unschärfen („Sehen“) auf astronomische Bilder zu reduzieren. Das solare AO76-System von Sunspot basiert auf der Shack-Hartmann-Korrelationstechnik. Im Wesentlichen unterteilt dies ein eingehendes Bild in eine Anordnung von Subaperturen, die von einer Wellenfrontsensorkamera betrachtet werden. Eine Subapertur wird als Referenzbild ausgewählt. Digitale Signalprozessoren (DSPs) berechnen, wie jede Subapertur an das Referenzbild angepasst wird. Die DSPs befehlen dann 97 Aktuatoren, einen dünnen, 7,7 cm (3 Zoll) verformbaren Spiegel umzuformen, um einen Großteil der Unschärfe aufzuheben. Der DSP kann auch einen vor dem AO-System montierten Kipp- / Spitzenspiegel ansteuern, der die durch die Atmosphäre verursachten groben Bildbewegungen beseitigt.
Schließen Sie die Schleife für schärfere Bilder
"Eine große Herausforderung für Astronomen besteht darin, das in ihre Teleskope eintretende Licht auf die Wirkung der Erdatmosphäre zu korrigieren", erklärte Kit Richards, leitender AO-Projektingenieur von NSO. "Luft mit unterschiedlichen Temperaturen, die sich über dem Teleskop mischt, macht die Atmosphäre wie eine Gummilinse, die sich etwa hundert Mal pro Sekunde neu formt." Dies ist schwerwiegender für Solarastronomen, die tagsüber beobachten, wie die Sonne die Erdoberfläche erwärmt, aber nachts immer noch die Sterne funkeln lässt.
Darüber hinaus möchten Sonnenphysiker ausgedehnte helle Regionen mit geringem Kontrast untersuchen. Dies macht es für ein AO-System schwieriger, dieselben Teile mehrerer leicht unterschiedlicher Subaperturen zu korrelieren und die Korrelation von einem Bildrahmen zum nächsten aufrechtzuerhalten, wenn sich die Form der Atmosphäre ändert.
(Die nächtliche Astronomie verwendet seit mehreren Jahren eine andere Technik. Laser erzeugen künstliche Leitsterne in der Atmosphäre, sodass Astronomen atmosphärische Verzerrungen messen und korrigieren können. Dies ist bei Instrumenten, die die Sonne beobachten, nicht praktikabel.)
1998 war NSO Vorreiter bei der Verwendung eines AO24-Systems niedriger Ordnung für Sonnenbeobachtungen. Es hat 24 Blenden und kompensiert 1.200 Mal pro Sekunde (1.200 Hertz [Hz]). Seit August 2000 konzentrierte sich das Team darauf, das System auf den AO76 höherer Ordnung mit 76 Aperturen zu skalieren und mit 2.500 Hz doppelt so schnell zu korrigieren. Die Durchbrüche begannen Ende 2002.
Zunächst wurde die Servoschleife des neuen AO-Systems hoher Ordnung bei seinem ersten Engineering-Lauf am Dunn im Dezember erfolgreich geschlossen. In einem Servosystem mit geschlossenem Regelkreis wird der Ausgang zum Eingang zurückgeführt und die Fehler werden auf 0 getrieben. Ein System mit offenem Regelkreis erkennt die Fehler und nimmt Korrekturen vor, aber der korrigierte Ausgang wird nicht zum Eingang zurückgeführt. Das Servosystem weiß nicht, ob es alle Fehler beseitigt oder nicht. Diese Art von System ist schneller, aber sehr schwer zu kalibrieren und kalibriert zu halten. Zu diesem Zeitpunkt verwendete das System eine DALSA-Kamera, die mit 955 Hz arbeitet, als Zwischenwellenfrontsensor. Der optische Aufbau wurde nicht abgeschlossen und vorläufig; "Bare-Bone" -Software bediente das System.
Hochgeschwindigkeitswellenfrontsensor
Selbst in diesem vorläufigen Zustand - um zu demonstrieren, dass die Komponenten als System zusammenarbeiten - und unter mittelmäßigen Sehbedingungen erzeugte das AO-System hoher Ordnung beeindruckende, beugungsbegrenzte Bilder. Zeitsequenzen von korrigierten und nicht korrigierten Bildern zeigen, dass das neue AO-System eine ziemlich konsistente hochauflösende Bildgebung bietet, selbst wenn das Sehen erheblich variiert, wie es für das Sehen am Tag typisch ist.
Nach diesem Meilenstein installierte das Team eine neue Hochgeschwindigkeits-Wellenfrontsensorkamera, die von Baja Technology und Richards von NSO speziell für das AO-Projekt entwickelt wurde. Es arbeitet mit 2.500 Bildern / Sekunde, was die mit der DALSA-Kamera mögliche Servobandbreite im geschlossenen Regelkreis mehr als verdoppelt. Richards implementierte auch eine verbesserte Steuerungssoftware. Darüber hinaus wurde das System so aktualisiert, dass der Spitzen- / Neigungskorrekturspiegel entweder direkt vom AO-Wellenfrontsensor oder von einem separaten Korrelations- / Spot-Tracker-System, das mit 3 kHz arbeitet, angesteuert wird.
Die neue AO76 hoher Ordnung wurde erstmals im April 2003 getestet und produzierte sofort hervorragende Bilder unter einem größeren Bereich von Sehbedingungen, die normalerweise hochauflösende Bilder ausschließen würden. Die neue AO76 hoher Ordnung wurde erstmals im April 2003 getestet und produzierte sofort hervorragende Bilder unter einem größeren Bereich von Sehbedingungen, die normalerweise hochauflösende Bilder ausschließen würden. Auffällige Unterschiede zwischen AO und AO sind in Bildern von aktiven Bereichen, Granulation und anderen Merkmalen leicht sichtbar.
"Das heißt nicht, dass das Sehen keine Rolle mehr spielt", bemerkte Rimmele. „Im Gegenteil, Effekte wie Anisoplanatismus - Wellenfrontunterschiede zwischen dem Korrelationsziel und dem Bereich, den wir untersuchen möchten - sind immer noch begrenzende Faktoren. Aber bei halbwegs anständigem Sehen können wir uns auf die Granulierung beschränken und hervorragende Bilder aufnehmen. “
Um große Instrumente wie das Advanced Technology Solar Telescope zu ermöglichen, muss das AO-System höherer Ordnung mehr als verzehnfacht werden und mindestens 1.000 Subaperturen aufweisen. Und NSO blickt darüber hinaus auf eine komplexere Technik, das multikonjugierte AO. Dieser Ansatz, der bereits für die Nachtastronomie entwickelt wurde, erstellt ein dreidimensionales Modell der turbulenten Region, anstatt sie als einfache verzerrte Linse zu behandeln.
Vorerst konzentriert sich das Projektteam jedoch auf die Fertigstellung des optischen Aufbaus am Dunn, die Installation der AO-Bank am Big Bear Solar Observatory, gefolgt von technischen Läufen, der Optimierung von Rekonstruktionsgleichungen und Servoschleifensteuerungen sowie der Charakterisierung des Systems Leistung an beiden Standorten. Das Dunn AO-System soll dann im Herbst 2003 in Betrieb gehen. Das Diffraction Limited Spectro-Polarimeter (DLSP), das wichtigste wissenschaftliche Instrument, das die beugungsbegrenzte Bildqualität des AO hoher Ordnung nutzen kann, ist geplant für die ersten Inbetriebnahmeläufe im Herbst 2003. NSO entwickelt das DLSP in Zusammenarbeit mit dem High Altitude Observatory in Boulder.
Originalquelle: NSO-Pressemitteilung
