Mengapa observatorium berbasis darat tidak menggunakan optik adaptif untuk panjang gelombang yang terlihat?

9

Teknik Adaptive Optics (AO) memungkinkan observatorium berbasis darat untuk secara dramatis meningkatkan resolusi dengan secara aktif mengkompensasi efek Melihat Astronomi .

Efek atmosfer sangat bervariasi dalam waktu dan lokasi. Parameter yang disebut Isoplanatic Angle (IPA) digunakan untuk menyatakan luas sudut di mana koreksi muka gelombang yang diberikan dioptimalkan untuk satu titik (biasanya bintang panduan, buatan atau alami) akan efektif. Sebagai contoh, Tabel 9.1 dalam sumber daya Teleskop Raksasa Magellan ini menunjukkan nilai untuk penskalaan IPA hampir secara linear (sebenarnya: ) dari 176 detik busur pada panjang gelombang 20 mikron menjadi hanya 4,2 detik busur pada 0,9 mikron.∼λ6/5

Ini menunjukkan IPA 2 hingga 3 detik busur untuk panjang gelombang yang terlihat, yang diambil dengan sendirinya bukan batasan pembunuh.

Namun, tampaknya hampir semua pekerjaan AO aktif saat ini dilakukan secara eksklusif dalam berbagai panjang gelombang inframerah, tampaknya turun menjadi 0,9 mikron tetapi tidak lebih lanjut . (AO juga diimplementasikan secara komputasi untuk menyusun data dalam radioastronomi .)

Apakah ini karena panjang gelombang yang diamati harus lebih panjang dari panjang gelombang bintang panduan pemandu? Karena ini jauh lebih sulit dan selalu ada Hubble di atas atmosfer untuk pekerjaan yang terlihat sehingga tidak sepadan dengan usaha ekstra, atau adakah alasan lain yang lebih mendasar?

Saya tidak mencari spekulasi atau pendapat, saya ingin penjelasan kuantitatif (jika itu berlaku) - semoga dengan tautan untuk membaca lebih lanjut - terima kasih!

radio-astronomy angular-resolution infrared adaptive-optics uh oh
sumber
2
Saya tidak mengusulkan ini sebagai jawaban karena ini adalah pendapat - dan saya tidak dapat berbicara tentang pembenaran yang dibuat oleh pro. Tapi saya pikir alasan mengapa hal itu dilakukan di NIR adalah sebagian besar karena astronomi 'menggairahkan' sekarang dilakukan dalam panjang gelombang tidak terlihat, dan NIR memiliki tingkat kepunahan yang lebih rendah di atmosfer kita jika dibandingkan dengan panjang gelombang tidak terlihat lainnya.
EastOfJupiter
@EastOfJupiter terima kasih! Alasan saya menanyakan hal ini adalah saya baru-baru ini mendengar tentang Hubble yang terlalu banyak berlangganan. Saya tidak bertanya mengapa sebagian besar pekerjaan di IR, saya bertanya mengapa tidak ada pekerjaan yang pernah terlihat. Jika Hubble adalah (tampaknya) satu-satunya teleskop panjang gelombang dee-sub-arcsec yang terlihat untuk semua umat manusia, tampaknya ada tekanan signifikan untuk membuka setidaknya satu sumber alternatif. Ini nol saya bertanya-tanya tentang.
uhoh
1
Ada instrumen yang bekerja hingga sekitar 600nm sekarang, tetapi pertanyaannya tetap ada.
Rob Jeffries
@ RobJeffries Saya ingin sekali mendengar tentang itu! Anda mungkin sudah menghindari kemungkinan dalam komentar Anda tahun 2016 . Ada juga pertanyaan yang agak terkait. Akankah E-ELT menggunakan Optik Adaptif pada panjang gelombang yang terlihat?
uhoh

Jawaban:

10

Ada diskusi yang cukup bagus di halaman ini .

Ada beberapa faktor yang bekerja:

  1. Sudut isoplanatic yang lebih kecil, seperti yang Anda perhatikan. Ini membatasi seberapa banyak langit yang dapat Anda amati dengan AO, karena target Anda harus berada dalam sudut isoplanatik dari bintang referensi yang cukup terang. (Bahkan dengan bintang panduan laser, masih ada kebutuhan untuk bintang referensi untuk koreksi "tip / tilt".) Perbedaan area sudut di langit berarti bahwa area langit yang secara teoritis dapat diamati dengan AO akan sekitar 20 kali lebih besar di dekat-IR daripada di optik, hanya dari perbedaan sudut isoplanatik.

  2. Efek turbulensi lebih kuat dan memiliki rentang waktu yang lebih pendek di optik. Ini memiliki tiga efek:

    A. Optik korektif (mis., Cermin yang dapat dideformasi) perlu memiliki bagian yang lebih bergerak ("koreksi yang hampir sempurna untuk pengamatan yang dilakukan dalam cahaya tampak (0,6 mikron) dengan teleskop 8-m akan membutuhkan ~ 6400 aktuator, sedangkan yang serupa kinerja pada 2 mikron hanya membutuhkan 250 aktuator. ") dan perlu beroperasi pada skala waktu yang lebih cepat.

    B. Selain kompleksitas elektromekanis, Anda harus melakukan jauh lebih banyak dalam cara perhitungan untuk menggerakkan semua aktuator tersebut, dan pada skala waktu yang lebih pendek. Jadi daya komputasi yang dibutuhkan naik.

    C. Untuk memberikan input untuk perhitungan korektif, Anda perlu mengamati bintang referensi pada skala sudut yang jauh lebih halus ("Sejumlah besar aktuator membutuhkan jumlah sub-struktur yang sama besar dalam sensor muka gelombang, yang berarti bahwa untuk koreksi dalam kasat mata, bintang referensi harus ~ 25 kali lebih terang dari pada mengoreksi inframerah. "). Ini membatasi seberapa besar langit yang dapat Anda lakukan untuk AO bahkan lebih: bintang yang mungkin cukup terang di dekat-IR untuk memperbaiki wilayah 20-30 arcsec patch isoplanatic lebar tidak akan cukup terang untuk mengoreksi 5- yang sesuai. patch isoplanatic lebar arcsec di terlihat.

  3. Untuk melakukan koreksi, Anda perlu mengamati objek referensi di optik. Ini mudah dilakukan dengan pengaturan IR dekat menggunakan optik / IR beamsplitter: kirim lampu optik ke peralatan AO dan kirim lampu IR dekat ke instrumen IR dekat. Dalam optik, Anda menggunakan pemecah sinar optik untuk mengirim setengah cahaya ke instrumen dan setengah lainnya ke peralatan AO. Ini berarti bahwa peralatan AO hanya mendapat separuh dari cahaya jika digunakan dengan instrumen IR-dekat, yang membuat (bahkan) lebih sulit untuk melakukan koreksi.

Akhirnya, ada masalah yang tidak terkait dengan AO itu sendiri, yaitu bahwa Anda memerlukan instrumen sains yang berbeda tergantung pada apakah Anda bekerja di optik atau dekat-IR. Instrumen optik menggunakan CCD silikon untuk deteksi; ini hanya sensitif sekitar 0,9-1 mikron. Instrumen Near-IR menggunakan detektor yang berbeda (biasanya berbasis HgCdTe), yang bagus dari sekitar 1-3 mikron. (Instrumen Near-IR juga membutuhkan desain yang berbeda untuk mengurangi kontaminasi dari emisi termal dari teleskop dan optik untuk pengamatan pada panjang gelombang lebih dari 2 mikron.) Jadi dalam praktiknya pilihannya adalah: gabungkan AO dengan instrumen yang hampir-IR dan dapatkan yang baik kinerja dengan teknologi yang terjangkau / layak, atau gabungkan AO dengan instrumen optik dan dapatkan kinerja yang sangat terbatas dengan teknologi yang lebih mahal (atau bahkan, hingga saat ini, tidak dapat dicapai).

Meskipun demikian, ada yang beberapa sistem AO optik mulai muncul, seperti Magao pada teleskop Magellan (yang memiliki kedua alat optik dan instrumen dekat-IR, dan dapat memperbaiki keduanya secara bersamaan).

Peter Erwin
sumber
Menarik! Saya bertanya mengapa AO digunakan hingga 0,9um tetapi tidak lebih jauh - dapatkah Anda melakukan perbandingan numerik Anda untuk mengatakan 0,9 vs 0,5? Apakah semua kesulitan ini hanya skala kira-kira linier dengan atau ada sesuatu yang semakin sulit pada tingkat yang jauh lebih cepat dari itu? Apakah panjang gelombang minimum untuk teleskop astronomi AO terus berkurang seiring dengan meningkatnya teknologi dan pemahaman, atau apakah selalu ada tembok antara 0.9um dan terlihat? 1/λ
uhoh
1
@uhoh Saya sebenarnya memperoleh pengamatan sekitar 7 tahun yang lalu, di pita R dan I (600-800 nm), dengan sistem AO yang disebut NAOMI pada teleskop William Herschel. Itu tidak mencapai batas difraksi, lebih seperti 0,2-0,3 detik busur, tetapi lebih atau kurang unik pada saat itu. Lucky Imaging biasanya dipandang lebih murah dan lebih sukses pada panjang gelombang optik.
Rob Jeffries
1
@uhoh Saya pikir bagian yang hilang dalam pemahaman Anda adalah 0,9-1 mikron adalah magis, tapi bukan karena AO - itu karena Anda perlu instrumen sains yang berbeda untuk optik vs dekat-IR. Saya telah mengedit jawaban saya untuk memasukkan titik ini (dan titik lain tentang kehilangan cahaya tambahan dalam kasus AO optik).
Peter Erwin
1
Ada juga sistem optik AO yang digunakan oleh Angkatan Udara AS (dan mungkin beberapa negara lain) untuk memata-matai satelit. Ini ada pada teleskop kecil (1-3 m), yang berarti ada sedikit koreksi yang diperlukan untuk mencapai batas difraksi, dan mereka melihat benda-benda terang yang sangat (menurut standar astronomi), yang mungkin membuat segala sesuatu lebih layak.
Peter Erwin
1
Berbicara sebagai mantan karyawan di sebuah perusahaan bernama, Anda dapat menebaknya, "Adaptive Optics Associates," Saya dapat mengkonfirmasi hampir semua yang ada dalam jawaban dan komentar di sini.
Carl Witthoft
3

Jawaban sederhana untuk bagian panjang gelombang adalah bahwa kinerja sistem AO menurunkan yang lebih pendek dalam panjang gelombang yang Anda lihat. Dasar-dasar dari apa yang terjadi adalah ketika Anda ingin mempersingkat panjang gelombang cahaya, Anda memerlukan skala pelat yang lebih halus untuk mendeteksi variasi dalam penglihatan yang membutuhkan perangkat keras yang sangat mahal (dan dalam beberapa kasus tidak ada). Anda juga memerlukan frekuensi AO yang lebih tinggi (kemampuan untuk mengukur cahaya dan mengubah bentuk / memfokuskan kembali teleskop) untuk memperhitungkan frekuensi cahaya yang lebih tinggi, ini lagi membutuhkan perangkat keras yang sangat mahal jika ada sama sekali pada frekuensi yang diperlukan.

Ini karena beberapa perhitungan dasar (tidak memperhitungkan polinomial Zernike ) didasarkan pada rasio Strehl dan Di Sini (rasio intensitas puncak gambar yang disimpang dibandingkan dengan gambar sempurna) untuk mengetahui berapa intensitas sumber seharusnya dan yang FWHM (Full-lebar setengah Max - lebar profil cahaya pada setengah intensitas) pada dasarnya mengukur di mana cahaya harus. Kedua pengukuran ini bergantung pada panjang gelombang.

Bacaan lebih lanjut dasar dapat ditemukan di Grup Teleskop Isac Newton . Jauh lebih banyak bacaan mendalam dapat ditemukan di universitas departemen Arizona Optik .

veda905
sumber
Terima kasih. Anda telah membuat daftar beberapa hal yang berskala dengan panjang gelombang, dan mengatakan bahwa mereka lebih sulit atau bergerak mahal - saya juga bisa melakukannya. Tetapi yang mana yang sangat keras atau sangat mahal sehingga itu adalah show-stopper? Apakah saya benar bahwa AO sama sekali tidak pernah dilakukan dalam kasat mata? Seberapa jauh lebih sulit? Bagaimana jauh lebih mahal? Seperti yang saya sebutkan saya berharap untuk sesuatu yang kuantitatif. Mempertimbangkan jumlah ilmu pengetahuan yang tidak dapat dilakukan karena Hubble terlalu banyak berlangganan. Apakah ada tautan yang memiliki jawaban untuk pertanyaan ini?
uhoh
Tidak ada metrik yang baik untuk menghitung kekerasan suatu perhitungan sehingga saya tidak dapat berbicara mengenai hal itu. Masalahnya benar-benar muncul ketika Anda difraksi terbatas karena Anda tidak bisa mendapatkan informasi yang Anda butuhkan, yang terjadi pada panjang gelombang yang lebih pendek. Batas difraksi: (1,22 * λ (dalam cm)) / diameter (dalam cm)
veda905