Afbeelding tegoed: NSO
Een nieuw adaptief optisch systeem helpt het National Solar Observatory om veel levendiger beelden van de zon te maken. Met het nieuwe NSO-systeem; echter, zonnetelescopen kunnen nu 4 meter en groter worden gebouwd. Dit zou zonne-astronomen in staat moeten stellen de processen van zonnemagnetisme en andere activiteiten beter te begrijpen.
Indrukwekkende, scherpe beelden van de zon kunnen worden geproduceerd met een geavanceerd adaptief optisch systeem dat bestaande telescopen nieuw leven inblaast en de weg vrijmaakt voor een generatie zonnetelescopen met een groot diafragma. Dit AO-systeem verwijdert vervaging veroorzaakt door de turbulente atmosfeer van de aarde en biedt zo een duidelijk zicht op de kleinste structuur op de zon.
Het nieuwe AO76-systeem - Adaptive Optics, 76 subapertures - is het grootste systeem dat is ontworpen voor zonnewaarnemingen. Zoals onlangs is aangetoond door een team van het National Solar Observatory in Sunspot, NM, produceert de AO76 scherpere beelden onder slechtere omstandigheden voor atmosferische vervorming dan het AO24-systeem dat sinds 1998 wordt gebruikt.
“Eerste licht” met het nieuwe AO76-systeem was in december 2002, gevolgd door tests die in april 2003 begonnen met een nieuwe high-speed camera die het systeem aanzienlijk verbeterde.
"Als de eerste resultaten eind 2002 met het prototype indrukwekkend waren," zei Dr. Thomas Rimmele, de AO-projectwetenschapper bij de NSO, "zou ik de prestaties die we nu krijgen echt geweldig noemen. Ik ben best enthousiast over de beeldkwaliteit die door dit nieuwe systeem wordt geleverd. Ik denk dat het redelijk is om te zeggen dat de beelden die we krijgen de beste zijn die ooit door de Dunn Solar Telescope zijn gemaakt. ” De Dunn is een van 's lands belangrijkste zonne-observatie-installaties.
Dubbel programma
Het nieuwe hoogwaardige AO-systeem heeft twee doelen. Het zal bestaande zonnetelescopen, zoals de 76 cm (30 inch) Dunn, in staat stellen beelden met een hogere resolutie te produceren en hun wetenschappelijke output aanzienlijk te verbeteren onder een breder scala van kijkomstandigheden. Het toont ook de mogelijkheid om het systeem op te schalen om een nieuwe generatie instrumenten met een groot diafragma mogelijk te maken, inclusief de voorgestelde 4-meter Advanced Technology Solar Telescope (zie hieronder) die een hogere resolutie zal zien dan de huidige telescopen kunnen bereiken.
Waarnemingen met hoge resolutie van de zon zijn steeds belangrijker geworden voor het oplossen van veel van de onopgeloste problemen in de zonnefysica. Het bestuderen van de fysica van flux-elementen, of de zonnefijne structuur in het algemeen, vereist spectroscopie en polarimetrie van de fijne structuren. De belichtingen zijn doorgaans ongeveer 1 seconde lang en de resolutie die momenteel wordt bereikt in spectroscopische / polarimetrische gegevens is typisch 1 boogseconde, wat onvoldoende is voor onderzoek naar fijne zonnestructuren. Verder voorspellen theoretische modellen structuren onder de resolutielimieten van 0,2 boogsec van bestaande zonnetelescopen. Waarnemingen zijn nodig onder de resolutie-limiet van 0,2 boogseconden om de belangrijke fysische processen die op zulke kleine schaal voorkomen te bestuderen. Alleen AO kan een consistente ruimtelijke resolutie van 0,1 boogsec. Of beter bieden vanaf observatoria vanaf de grond.
AO-technologie combineert computers en flexibele optische componenten om de effecten van atmosferische vervaging ("zien") op astronomische beelden te verminderen. Het zonne-AO76-systeem van Sunspot is gebaseerd op de Shack-Hartmann-correlatietechniek. In wezen verdeelt dit een binnenkomend beeld in een reeks subopeningen die worden bekeken door een camera met een golffrontsensor. Eén subopening is geselecteerd als referentiebeeld. Digitale signaalprocessors (DSP's) berekenen hoe elke subopening moet worden aangepast aan het referentiebeeld. De DSP's geven vervolgens opdracht aan 97 actuatoren om een dunne, vervormbare spiegel van 7,7 cm (3 inch) opnieuw vorm te geven om een groot deel van de vervaging op te heffen. De DSP kan ook een voor het AO-systeem gemonteerde kantel- / kiepspiegel aansturen die grove beeldbewegingen veroorzaakt door de atmosfeer verwijdert.
De lus sluiten voor scherpere beelden
"Een grote uitdaging voor astronomen is het corrigeren van het licht dat hun telescopen binnendringt voor het effect van de aardatmosfeer", legt Kit Richards, NSO's AO-projectleider, uit. "Lucht van verschillende temperaturen die zich boven de telescoop mengt, maakt de atmosfeer als een rubberen lens die zichzelf ongeveer honderd keer per seconde een nieuwe vorm geeft." Dit is ernstiger voor zonne-astronomen die overdag observeren terwijl de zon het aardoppervlak verwarmt, maar zorgt er toch voor dat de sterren 's nachts fonkelen.
Verder willen zonnefysici uitgestrekte heldere gebieden met een laag contrast bestuderen. Dat maakt het voor een AO-systeem uitdagender om dezelfde delen van verschillende enigszins verschillende subopeningen te correleren en om de correlatie van het ene beeldframe naar het volgende te behouden wanneer de atmosfeer van vorm verandert.
(Nachtelijke astronomie gebruikt al verschillende jaren een andere techniek. Lasers genereren kunstmatige gidssterren in de atmosfeer, waardoor astronomen atmosferische vervorming kunnen meten en corrigeren. Dit is niet praktisch met instrumenten die de zon waarnemen.)
In 1998 was NSO een pionier in het gebruik van een laagwaardig AO24-systeem voor zonnewaarnemingen. Het heeft 24 diafragma's en compenseert 1.200 keer / seconde (1.200 Hertz [Hz]). Sinds augustus 2000 heeft het team zich gericht op het opschalen van het systeem naar de hoogwaardige AO76 met 76 diafragma's en tweemaal zo snel corrigeren, 2500 Hz. De doorbraken begonnen eind 2002.
Ten eerste werd de servolus met succes gesloten op het nieuwe high-order AO-systeem tijdens de eerste engineering-run in de Dunn in december. In een servosysteem met "gesloten lus" wordt de uitvoer teruggevoerd naar de invoer en worden de fouten naar 0 gestuurd. Een systeem met "open lus" detecteert de fouten en voert correcties uit, maar de gecorrigeerde uitvoer wordt niet teruggevoerd naar de invoer. Het servosysteem weet niet of het alle fouten verwijdert of niet. Dit type systeem is sneller, maar erg moeilijk te kalibreren en gekalibreerd te houden. Op dit moment gebruikte het systeem een DALSA-camera, die werkt op 955 Hz, als de tijdelijke golffrontsensor. De optische opstelling was niet afgerond en voorlopig; 'Bare-bone'-software bediende het systeem.
Hoge snelheid wavefront-sensor
Zelfs in deze voorlopige staat - bedoeld om aan te tonen dat de componenten als een systeem samenwerkten - en onder middelmatige zichtomstandigheden produceerde het hoge-orde AO-systeem indrukwekkende, diffractie-beperkte beelden. Tijdreeksen van gecorrigeerde en niet-gecorrigeerde afbeeldingen laten zien dat het nieuwe AO-systeem redelijk consistente beeldvorming met hoge resolutie biedt, zelfs als het zien aanzienlijk varieert, zoals typisch is voor overdag.
Na deze mijlpaal installeerde het team een nieuwe hogesnelheidscamera met golffrontsensor, speciaal ontwikkeld voor het AO-project door Baja Technology en Richards van NSO. Het werkt met 2500 frames / seconde, wat meer dan een verdubbeling is van de closed-loop servobandbreedte die mogelijk is met de DALSA-camera. Richards implementeerde ook verbeterde besturingssoftware. Daarnaast is het systeem geüpgraded om de tip / tilt-correctiespiegel rechtstreeks van de AO-golffrontsensor of van een afzonderlijk correlatie- / spotvolgsysteem aan te sturen dat op 3 kHz werkt.
De nieuwe AO76 van hoge orde werd voor het eerst getest in april 2003 en begon onmiddellijk met het produceren van uitstekende beelden onder een breder scala van kijkomstandigheden die normaal gesproken beelden met een hoge resolutie zouden uitsluiten. De nieuwe AO76 van hoge orde werd voor het eerst getest in april 2003 en begon onmiddellijk met het produceren van uitstekende beelden onder een breder scala van kijkomstandigheden die normaal gesproken beelden met een hoge resolutie zouden uitsluiten. Opvallende verschillen met de AO aan en uit zijn goed zichtbaar in afbeeldingen van actieve gebieden, granulatie en andere kenmerken.
"Dat wil niet zeggen dat zien er niet meer toe doet", merkte Rimmele op. “Integendeel, het zien van effecten zoals anisoplanatisme - golffrontverschillen tussen het correlatiedoel en het gebied dat we willen bestuderen - zijn nog steeds beperkende factoren. Maar als we halverwege zien, kunnen we granulatie blokkeren en uitstekende beelden opnemen. ”
Om grote instrumenten zoals de Advanced Technology Solar Telescope mogelijk te maken, zal het hoogwaardige AO-systeem meer dan vertienvoudigd moeten worden tot minimaal 1.000 subopeningen. En NSO kijkt verder dan een meer complexe techniek, multiconjugate AO. Deze benadering, die al ontwikkeld is voor nachtelijke astronomie, bouwt een driedimensionaal model van het turbulente gebied op in plaats van het te behandelen als een simpele vervormde lens.
Maar voorlopig zal het projectteam zich concentreren op de voltooiing van de optische opstelling in de Dunn, de installatie van de AO-bank in de Big Bear Solar Observatory gevolgd door technische runs, optimalisatie van reconstructievergelijkingen en servolusbesturingen en karakterisering van het systeem prestaties op beide sites. Vervolgens wordt het Dunn AO-systeem in het najaar van 2003 operationeel. De Diffractie Limited Spectro-Polarimeter (DLSP), het belangrijkste wetenschappelijke instrument dat kan profiteren van de diffractie-beperkte beeldkwaliteit die wordt geleverd door de hoogwaardige AO, is gepland voor de eerste inbedrijfstelling vindt plaats in het najaar van 2003. NSO ontwikkelt de DLSP in samenwerking met de High Altitude Observatory in Boulder.
Oorspronkelijke bron: NSO-persbericht
