ДАЛІ: Мульти-сполучена адаптивна оптика
Більшість діючих астрономічних систем адаптивної оптики використовує природні опорні зірки (NGS) для вимірювань хвильових фронтів. Це накладає жорсткі обмеження на вибір об'єктів. Якщо ж певний набір об'єктів спостережень рівномірно розподілений по небу, то ймовірність знайти підходящі опорні зірки (звана покриттям неба) може бути низькою.
Кутова відстань між об'єктом і опорної зіркою не повинно перевищувати ізопланатіческій кут Для даної відстані між NGS і об'єктом, залишкову помилку хвильового фронту через анізопланатізма можна оцінити як
З іншого боку, помилка через фотонного шуму обернено пропорційна потоку фотонів, який пов'язаний з зоряною величиною m.
Питання: Покриття неба системою адаптивної оптики на деякій довжині хвилі склало 10%. Як воно покращиться, якщо чутливість WFS збільшити в 2.5 рази? Або якщо використовувати довжину хвилі в два рази більше?
Питання: Яким було б покриття неба адаптивною оптикою з природними опорними зірками, якби вся турбулентність була сконцентрована в тонкому навколоземному шарі?
Вірогідність знайти опорну зірку оцінюється при об'єднанні параметрів адаптивної оптики з моделлю розподілу щільності зірок по небу. Вона зменшується з видаленням від Чумацького Шляху, тобто з ростом галактичної широти (Bahcall and Soneira, ApJ V. 246, P. 122, 1981). Відповідно до цієї моделі, близько галактичного полюса на квадратний градус припадає близько 400 зірок з R-величинами від 14.5 до 15.5, або близько 600 зірок яскравіше R = 15.0 величини. Якщо брати зірки на 1 величину слабші (яскравіше), то число зірок в даному інтервалі величин збільшиться (зменшиться) вдвічі. Щільність зірок на низьких галактичних широтах принаймні в два рази більше, ніж близько полюса. Детальніше це можна побачити на цьому малюнку (суцільні лінії, лінії з довгими і короткими штрихами відносяться до галактичної площини, середніх широт і полюса Галактики).
У смузі K (довжина хвилі 2.2 мікрона) при хорошій якості зображень покриття неба може перевищувати 0.5 в площині Галактики. Але в оптичному діапазоні покриття неба адаптивною оптикою з NGS дуже мало.
Ідея використовувати для адаптивної оптики штучні лазерні опорні зірки (LGS), звані також лазерними маяками. з'явилася в кінці 70-х років, однак перша відкрита публікація вийшла в 1985 році. Два існуючих типу LGS використовують релєєвськоє розсіювання на молекулах повітря або флуоресценцію атомів натрію в мезосфері. Відповідно, вони називаються релєєвського і натрієвими лазерними опорними зірками.
Як ми побачимо, LGS не вирішують повністю проблему покриття неба. Для слабких астрономічних об'єктів потрібні довгі експозиції, тому аберації нахилу необхідно виправляти за допомогою природних опорних зірок. Додаткове погіршення роботи адаптивної оптики пов'язано з тим, що LGS знаходиться на кінцевій висоті, в той час як об'єкти дослідження - на нескінченності (так званий ефект конуса).
Лазерна пляма формується на деякій кінцевої висоті H над телескопом: H = 10-20 км для релєєвського LGS або 90 км для натрієвих. Турбулентний шар на висоті h надасть різний вплив на промені від лазерної та природної зірок. Можна виділити три різних ефекту:
- Турбулентність на висоті більше H можна виміряти за допомогою LGS.
- Зовнішні частини зоряного хвильового фронту НЕ детектируются
- Хвильові фронти від лазерної та природної зірок мають різний масштаб: діаметр лазерного пучка зменшується в (1 - h / H) раз. Таким чином, існує диференціальне "розтягнення" хвильових фронтів.
Виявляється, що останній фактор є найважливішим. Коли хвильовий фронт лазерного зірки виправляється адаптивною оптикою, хвильовий фронт природною зірки матиме залишкову помилку через ефект конуса:
Системи адаптивної оптики складні. LGS додають додатковий рівень складності до конструкції та експлуатації адаптивної оптики. З одного боку, LGS покращують покриття неба і дозволяють здійснити спостереження, які інакше були б неможливі. Але вони дають додаткові помилки (ефект конуса, анізопланатізм нахилу), які призводять до погіршення ефективності, в порівнянні з адаптивною оптикою з NGS. Це додаткове погіршення сильно залежить від рівня турбулентності на великих висотах, тому стеження за профілем турбулентності важливо для ефективної роботи адаптивної оптики з LGS. Інші специфічні обмеження перераховані нижче.
- Потужні лазерні промені, спрямовані в небо, небезпечні для пілотів літаків і для супутників (осліплення, пошкодження оптичного устаткування). Для роботи натрієвих LGS необхідна система виявлення літаків і координація з центром управління космічними польотами.
Висновки. Покриття неба системами адаптивної оптики з природними опорними зірками можна оцінити, знаючи якість зображень, довжину хвилі і чутливість датчика хвильового фронту. Покриття неба значно поліпшується за допомогою лазерних опорних зірок, проте в короткохвильовому діапазоні воно залишається низьким через "проблеми нахилу" і необхідності знайти природну опорну зірку для виправлення нахилу. Ефективність адаптивної оптики з лазерними опорними зірками погіршується також через ефект конуса, який призводить до неможливості її використання на великих телескопах і на коротких хвилях без додаткових ускладнень, таких як томографія. Описано два існуючих типу лазерних опорних зірок - релєєвського і натрієві. Перераховані основні проблеми, що виникають при експлуатації систем з лазерними опорними зірками.
ДАЛІ: Мульти-сполучена адаптивна оптика