Bildkredit: NSO
Ett nytt adaptivt optiksystem hjälper National Solar Observatory att ta mycket mer livliga bilder av solen. Med det nya NSO-systemet; dock kan solteleskop nu byggas 4 meter och större. Detta bör göra det möjligt för solastronomer att bättre förstå processerna för solmagnetism och andra aktiviteter.
Imponerande, skarpa bilder av solen kan produceras med ett avancerat adaptivt optiskt system som ger nytt liv för befintliga teleskop och öppnar vägen för en generation solteleskop med stor öppning. Detta AO-system avlägsnar suddighet som införts av jordens turbulenta atmosfär och ger därmed en tydlig vision av solens minsta struktur.
Det nya AO76-systemet - Adaptive Optics, 76 subapertures - är det största systemet designat för solobservationer. Som påvisats nyligen av ett team vid National Solar Observatory på Sunspot, NM, producerar AO76 skarpare bilder under sämre synliga förhållanden för atmosfärisk snedvridning än AO24-systemet som använts sedan 1998.
”Första ljuset” med det nya AO76-systemet var i december 2002, följt av tester som började i april 2003 med en ny höghastighetskamera som avsevärt förbättrade systemet.
"Om de första resultaten i slutet av 2002 med prototypen var imponerande," sa doktor Thomas Rimmele, AO-projektforskare vid NSO, "jag skulle vilja kalla det resultat som vi får nu verkligen fantastiskt. Jag är ganska nöjd med den bildkvalitet som det nya systemet levererar. Jag tror att det är rimligt att säga att bilderna vi får är de bästa som någonsin producerats av Dunn Solar Telescope. ” Dunn är en av landets främsta solobservationsanläggningar.
Program med dubbla ändamål
Det nya AO-systemet med hög ordning har två syften. Det gör att befintliga solteleskop, som 76-cm (30-tums) Dunn, kan producera bilder med högre upplösning och avsevärt förbättra deras vetenskapliga resultat under ett större urval av synliga förhållanden. Den visar också förmågan att skala upp systemet för att möjliggöra en ny generation av stora bländarinstrument, inklusive det föreslagna 4-meters Advanced Technology Solar Telescope (se nedan) som kommer att se i högre upplösningar än nuvarande teleskop kan uppnå.
Högupplösta observationer av solen har blivit allt viktigare för att lösa många av de enastående problemen inom solfysik. Att studera fysiken hos flödeselement, eller solens fina struktur i allmänhet, kräver spektroskopi och polarimetri av de fina strukturerna. Exponeringarna är vanligtvis ungefär 1 sekund lång och den upplösning som för närvarande uppnås i spektroskopiska / polarimetriska data är vanligtvis en bågsekund, vilket är otillräckligt för att studera fina solstrukturer. Vidare förutspår teoretiska modeller strukturer under upplösningsgränserna för 0,2 bågsekunder för befintliga solteleskop. Observationer behövs under 0,2 bågsekunders upplösningsgräns för att studera de viktiga fysiska processerna som förekommer på så små skalor. Endast AO kan tillhandahålla en jämn rumslig upplösning på 0,1 bågsekund eller bättre från markbaserade observatorier.
AO-tekniken kombinerar datorer och flexibla optiska komponenter för att minska effekterna av atmosfärisk suddighet ("se") på astronomiska bilder. Sunspots solsystem AO76 är baserat på Shack-Hartmann korrelerande teknik. I huvudsak delar detta en inkommande bild in i en rad underaperturer som visas av en vågfrontkamera. En underapertur väljs som referensbild. Digitala signalprocessorer (DSP) beräknar hur man justerar varje underapertur så att den matchar referensbilden. DSP: erna beordrar 97 ställdon för att omforma en tunn, 7,7 cm (3 tum) deformerbar spegel för att avbryta mycket av suddigheten. DSP kan också driva en vipp- / spetsspegel, monterad framför AO-systemet, som tar bort grov bildrörelse orsakad av atmosfären.
Stäng slingan för skarpare bilder
"En stor utmaning för astronomer är att korrigera ljuset som kommer in i deras teleskop för effekten av jordens atmosfär," förklarade Kit Richards, NSO: s AO-projektledare. "Luft med olika temperaturer som blandar sig över teleskopet gör atmosfären som en gummilins som omformar sig själv hundra gånger varje sekund." Detta är allvarligare för solastronomer som observerar under dagen med solen som värmer upp jordens yta, men får fortfarande stjärnorna att blinka på natten.
Vidare vill solfysiker studera utsträckta ljusa regioner med låg kontrast. Det gör det mer utmanande för ett AO-system att korrelera samma delar i flera lite olika underaperturer och att bibehålla korrelationen från en bildram till nästa när atmosfären ändrar form.
(Nighttime-astronomi har använt en annan teknik under flera år. Lasrar genererar konstgjorda guidestjärnor i atmosfären, låter astronomer mäta och korrigera för atmosfärisk snedvridning. Detta är inte praktiskt med instrument som observerar solen.)
År 1998 var NSO banbrytande av användning av ett lågt ordnat AO24-system för solobservationer. Den har 24 öppningar och kompenserar 1 200 gånger / sekund (1 200 Hertz [Hz]). Sedan augusti 2000 fokuserade teamet på att skala upp systemet till den höga ordningen AO76 med 76 öppningar och korrigera dubbelt så snabbt, 2500 Hz. Genombrotten började i slutet av 2002.
Först stängdes servoslingan framgångsrikt på det nya högordade AO-systemet under sin första teknikkörning på Dunn i december. I ett servosystem med "sluten slinga" matas utgången tillbaka till ingången och felen drivs till 0. Ett "open loop" -system upptäcker felen och gör korrigeringar, men den korrigerade utgången matas inte tillbaka till ingången. Servosystemet vet inte om det tar bort alla fel eller inte. Denna typ av system är snabbare men mycket svårt att kalibrera och hålla kalibrerad. Vid detta tillfälle använde systemet en DALSA-kamera, som fungerar vid 955 Hz, som interim-vågfrontsensor. Den optiska inställningen slutfördes inte och preliminär; "Bare-bone" -programvaran använde systemet.
Höghastighets vågfrontsensor
Till och med i detta preliminära tillstånd - som var avsett att visa att komponenterna fungerade tillsammans som ett system - och under medelmåttiga förhållanden, producerade AO-systemet med hög ordning imponerande, diffraktionsbegränsade bilder. Tidsekvenser av korrigerade och okorrigerade bilder visar att det nya AO-systemet ger ganska konsekvent högupplösta avbildningar, även om synsingen varierar väsentligt, vilket är typiskt för dagtidssyn.
Efter denna milstolpe installerade teamet en ny höghastighetsvågssensorkamera specialanpassad för AO-projektet av Baja Technology och NSOs Richards. Den fungerar med 2500 bilder per sekund, vilket mer än fördubblar den slutna servobandbredden med DALSA-kameran. Richards implementerade också förbättrad kontrollprogram. Dessutom uppgraderades systemet för att driva spets / lutningskorrigeringsspegeln antingen direkt från AO vågfrontsensor eller från ett separat korrelations / spot tracker-system som arbetar vid 3 kHz.
Den nya högre ordningen AO76 testades först i april 2003 och började omedelbart producera utmärkta bilder under ett större urval av förhållanden som normalt skulle förhindra högupplösta bilder. Den nya högre ordningen AO76 testades först i april 2003 och började omedelbart producera utmärkta bilder under ett större urval av förhållanden som normalt skulle förhindra högupplösta bilder. Slående skillnader med AO på kontra av är lätt synliga i bilder av aktiva områden, granulering och andra funktioner.
"Det är inte att säga att att se inte spelar någon roll längre", konstaterade Rimmele. ”Tvärtom, att se effekter som anisoplanatism - skillnader på vågfront mellan korrelationsmålet och området vi vill studera - är fortfarande begränsande faktorer. Men under halvvägs anständigt att se kan vi låsa upp granulering och spela in utmärkta bilder. ”
För att möjliggöra stora instrument som Advanced Technology Solar Telescope, måste det höga ordningen AO-systemet skalas upp mer än tiofaldigt till minst 1 000 underaperturer. Och NSO ser utöver det till en mer komplex teknik, multiconjugate AO. Denna strategi, som redan utvecklats för astronomi på natten, bygger en tredimensionell modell av den turbulenta regionen snarare än att behandla den som en enkel förvrängd lins.
Men för nu kommer projektgruppen att fokusera på färdigställandet av den optiska installationen vid Dunn, installation av AO-bänken vid Big Bear Solar Observatory följt av ingenjörskörningar, optimering av rekonstruktionsekvationer och servoslingkontroller och karaktärisering av systemet prestanda på båda platserna. Därefter ska Dunn AO-systemet tas i drift hösten 2003. Diffraktionen begränsad spektorpolarimeter (DLSP), det viktigaste vetenskapliga instrumentet som kan dra nytta av den diffraktionsbegränsade bildkvaliteten som levereras av den höga ordningen AO, är planerad för sina första idrifttagningskörningar hösten 2003. NSO utvecklar DLSP i samarbete med High Altitude Observatory i Boulder.
Originalkälla: NSO News Release
