Nylige billeder taget fra Big Bear Solar Observatory af en massiv del af Solens overflade, omkring 23, 000 miles kvadrat, fremviser fremskridtene inden for klarhed i realtid over store afstande præsenteret af et banebrydende nyt optiksystem. Kredit:Big Bear Solar Observatory
En banebrydende ny optisk enhed, udviklet ved NJIT's Big Bear Solar Observatory (BBSO) for at korrigere billeder af Solen forvrænget af flere lag af atmosfærisk turbulens, forsyner videnskabsmænd med de mest præcist detaljerede, realtidsbilleder til dato af solaktivitet, der forekommer på tværs af store strækninger af stjernens overflade.
Observatoriets 1,6 meter nye solteleskop kan nu producere samtidige billeder, for eksempel, af massive eksplosioner såsom soludbrud og koronale masseudslip, der finder sted på nogenlunde samme tid på tværs af store strukturer såsom en 20, 000 kilometer bred solplet i solens fotosfære.
"For at forstå solens grundlæggende dynamik, såsom oprindelsen af solstorme, vi skal indsamle data fra et så bredt synsfelt som muligt, " siger Philip Goode, fremtrædende forskningsprofessor i fysik ved NJIT og leder af et internationalt team af forskere finansieret af National Science Foundation (NSF) til at udvikle dette næste generations optiske system.
"Under store blus, for eksempel, magnetiske feltændringer ser ud til at forekomme mange forskellige steder med næsten samtidighed, "forklarer han." Kun ved at se det omfattende udvalg af udbrud på én gang vil vi være i stand til nøjagtigt at måle størrelsen, styrken og rækkefølgen af disse magnetiske hændelser og analyser også de kræfter, der driver stjernens magnetiske felter til at dreje rundt om hinanden, indtil de eksploderer, spytter enorme mængder stråling og partikler, der, når den rettes mod jorden, kan forårsage forstyrrende rumvejr."
Multi-konjugeret adaptiv optik (MCAO) -enhed sidder nedstrøms for BBSO-teleskopets blænde, i øjeblikket verdens højeste opløsning solteleskop. Systemet er sammensat af tre spejle, der ændrer form for at korrigere banen for de indkommende lysbølger, styret af en computer, der er tilsluttet ultrahurtige kameraer, der tager mere end 2, 000 billeder i sekundet for at måle aberrationer i bølgebanen. Systemet kaldes multi -konjugat, fordi hvert af de tre spejle fanger lys fra en anden højde - nær jorden og cirka tre og seks miles høj - og de tre korrigerede billeder tilsammen frembringer et forvrængningsfrit billede, der eliminerer virkningerne af turbulens op til omkring syv miles.
MCAO-systemet har tredoblet størrelsen af det korrigerede synsfelt, der nu er tilgængeligt med den nuværende teknologi, kendt som adaptiv optik, som anvender et enkelt formskifte, eller deformerbar, spejl for at rette billeder. En artikel, der viser disse fremskridt, blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Astronomi og astrofysik .
"Gevinsten ved at bruge tre deformerbare spejle i stedet for ét er let synlige. Billederne er skarpe på et meget større område, siger Dirk Schmidt, en post-doc forsker ved National Solar Observatory (NSO), en projektforsker for det internationale MCAO-team, og førsteforfatter til artiklen, der beskriver forskningen. "Efter mange års udvikling, dette er en vigtig milepæl for de nye, bredfeltsgenerering af adaptiv solcelleoptik."
Turbulente luftstrømme i forskellige lag af jordens atmosfære, fra jorden op til jetstrømmen, ændre banen for solens lys hurtigere end det menneskelige øje kan kompensere, sløring af billeder taget med konventionelle teleskoper, ligesom varm udstødning skaber en dis på vejbanen. Sløringen opstår, når luftmasser ved forskellige temperaturer blandes, forvrængning af lysets udbredelse og får det til at tage en stadigt skiftende, tilfældig sti fra det fjerne objekt, ankommer til observatøren med en randomiseret forekomstvinkel. Den samme atmosfæriske turbulens forårsager glimt af stjerner.
MCAO holdet, som omfatter forskere fra NJIT, NSO og Kiepenheuer Institute for Solar Physics i Tyskland, har arbejdet sammen i mere end et årti på den næste generation af adaptiv optik for at korrigere disse forvrængninger. Det lykkedes forskerne at udvide synsfeltet markant efter flere års skiftende laboratorieforsøg - med en kunstig lyskilde, der fungerede som Solen, der udsendte lysbølger målrettet forvrænget af varmen fra varmeplader - med "on-sky"-tests udført i realtid i BBSO's optiske vej.
"I årenes løb, vi havde omkonfigureret spejlene snesevis af gange, venter på det 'Wow!' øjeblik, " husker Goode. "Endelig, sidst i juli sidste år, vi så, hvad vi længe havde søgt - en kontinuerlig strøm af skarpe, wide-field korrigeret, men i det væsentlige identiske billeder. Der var forbløffet stilhed, efterfulgt af klapsalver. Vi gentog derefter testen flere gange ved at se på forskellige steder på Solen for at bevise, at det var lykkedes os. Det sidste trick var at indsnævre feltet for at få en dybere fokuseret korrektion med hvert spejl, ligesom du ville justere et kamera for at have nær- og fjernfeltet i fokus."
De videnskabelige gevinster forventes at være på flere niveauer. En klarere, mere omfattende visning af solaktivitet bør give yderligere ledetråde til forskere, der søger at forklare mystisk dynamik, såsom midlerne, hvormed eksplosioner på Solen producerer magnetiske eksplosioner og stråling og accelererer partikler til næsten lysets hastighed inden for få sekunder. Jo mere videnskabsmænd forstår fysiske processer, der finder sted mere end 90 millioner miles væk, jo bedre politiske beslutningstagere vil være i stand til at forudsige og forberede sig på solstorme med den vildskab de kan forstyrre kommunikationssatellitter, slå GPS-systemer ud, lukke flyrejser og slukke lys, computere og telefoner i millioner af hjem og virksomheder, bemærker Andrew Gerrard, direktør for NJIT's Center for Solar-Terrestrial Research, som driver BBSO og flere andre solinstrumenter rundt om i verden og i rummet.
"At korrigere for flere lag af turbulens i atmosfæren er en teknisk tur-de-force, " kommenterer Peter Kurczynski, direktør for det astronomiske videnskabsprogram ved NSF, der finansierede forskningen. "Denne undersøgelse demonstrerer teknologi, der er afgørende for næste generations observatorier, og det vil forbedre vores forståelse af solen. Derfor støtter NSF adaptiv optikforskning, fordi nye teknologier muliggør videnskabelige opdagelser."
MCAO -projektet fungerer også som en kritisk test af optiske instrumenter, der vil blive krævet af fremtidige solteleskoper.
"MCAO-resultaterne fra BBSO udgør dog en reel pause, "bemærker Thomas Rimmele, hvem er projektdirektør for det kommende 4-meter Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST) på Hawaii, en associeret direktør for NSO og en co-investigator på MCAO-teamet. Han tilføjer, "Systemet giver en essentiel eksperimentel platform til udvikling af bredfelt adaptiv optik til solobservationer, og fungerer som stifinder for adaptive optiksystemer på DKIST, planlagt til normal drift i 2020."