En spand fuld af fotoner kan give fingerpeg om solens magnetfelter

De første billeder fra National Science Foundations 4-meter Inouye Solar Telescope, udgivet i slutningen af ​​januar, afslørede Solen i fængslende detaljer. Teleskopets størrelse - det er det største solteleskop i verden - gjorde det muligt for forskere at zoome ind på soloverfladen med en højere opløsning end nogensinde før.

Men det nye teleskops størrelse har en anden fordel ud over evnen til at fange Solen med en hidtil uset opløsning. Det vil også give videnskabsfolk mulighed for at fange en hidtil uset mængde lys.

"Du kan bruge et stort teleskop, ligesom Inouye Solar Telescope, to måder, " sagde Roberto Casini, en videnskabsmand ved National Center for Atmospheric Research (NCAR). "Du kan se på Solen i de fineste detaljer, som teleskopets blænde tillader, eller du kan ofre nogle af de detaljer for at bruge teleskopet som en fotonspand. Inouye Solar Telescope giver os en meget stor spand."

Forskere ved NCARs High Altitude Observatory (HAO) håber, at brugen af ​​teleskopet som en fotonspand vil give dem mulighed for at opdage nye signaturer af polarisering på tværs af spektret af synligt lys, der udstråler fra Solen, som kan have været for svag til at finde med tidligere mindre teleskoper. Sådanne underskrifter, som giver videnskabsmænd kritiske ledetråde om, hvordan Solens indviklede magnetfelter virker, er nemmere at udvælge, når mere sollys kan fanges.

For at søge efter disse signaler, Casini og hans HAO-kolleger designede og byggede et af Inouye Solar Telescope's fem instrumenter:Visible Spectro-Polarimeter (ViSP). Dette ekstremt alsidige instrument kan observere enhver bølgelængde på tværs af det synlige spektrum af Solens stråling, giver videnskabsfolk en enorm grad af fleksibilitet til at udforske. Det vil også blive koblet sammen med en facilitetssoftwarepakke, der hurtigt vil gøre de data, der indsamles af ViSP, til et videnskabsklar produkt. Casini håber, at ViSPs konstruerede fleksibilitet og dets databehandlingsevne vil sætte gang i et fornyet fokus på, hvilke mysterier Solens polariserede lys kan afsløre.

NCAR er sponsoreret af National Science Foundation (NSF). Inouye Solar Telescope administreres af NSF's National Solar Observatory.

Fra de få til de mange:at gøre spektro-polarimetri tilgængeligt

I mere end et århundrede, Forskere har vidst, at magnetiske felter påvirker det lys, der udsendes eller spredes af ionerne i solens atmosfære, producerer polarisering. Ved at modellere og fortolke polarisationssignaturen af ​​disse felter, forskere kan spore den storstilede form og struktur af Solens magnetiske felter. Ultimativt, dette vil hjælpe forskere med bedre at forstå soludbrud og hvordan man kan forudsige dem. Disse voldsomme begivenheder producerer rumvejr, der har potentiale til at forstyrre radiokommunikation, elnet, og GPS-signaler, samt bringe astronauter i fare og beskadige satellitter.

Men at opdage og fortolke det polariserede lys fra Solen har altid været en udfordring. En del af årsagen er, at signalet typisk er meget svagt, og videnskabsmænd skal indsamle en masse fotoner for at skelne det signal fra Solens upolariserede baggrund. De instrumenter, der bruges til at detektere polarisering, bidrager også til denne vanskelighed, fordi de selv kan indføre polarisering. For eksempel, spejlene, der bruges i teleskoper til at lede det indkommende lyss vej til detektoren, polariserer også dette lys. Den færdighed, der har været nødvendig for at adskille det polariserede signal, der kommer fra Solen, og fortolke det signal, er ret specialiseret.

"Solspektropolarimetri har indtil i dag været en kunst, der kun er mestret af få, " sagde Casini.

HAO har en lang historie inden for videnskaben om spektro-polarimetri og har bygget andre instrumenter til at studere Solen, herunder et spektro-polarimeter, der stadig fungerer ved Dunn Solar Telescope på Sacramento Peak i New Mexico. Men mængden af ​​observationer taget af dette instrument og andre har langt overgået mængden af ​​videnskabsklare data, der er stillet til rådighed for samfundet. Dette skyldes, at observationerne er flaskehalse, mens de venter på, at en af ​​de få eksperter på området laver den komplekse analyse, der er nødvendig for at omdanne rådataene til noget, der kan bruges af en bred vifte af solforskere.

Casini – som stadig har en papkasse med bånd fra Sacramento Peak siddende på sit kontorgulv, indtil han har tid til at analysere dem – siger, at ViSP og Inouye Solar Telescope er designet til at bryde denne flaskehals. Instrumentet, som kan sættes op og køre med et minimum af menneskelig indgriben, vil føre data direkte ind i facilitetssoftware, der kan fordøje informationen og transformere den til et brugbart produkt for videnskaben.

"Vi ønsker at overvinde utilgængeligheden af ​​videnskaben om polarimetri og skabe videnskabsklare data for alle, " sagde Casini.

Muligheden for at opdage noget nyt

Hands-off, automatiseret design af ViSP har også en anden klar fordel. I modsætning til sine forgængere, som skal omkonfigureres manuelt for at studere forskellige bølgelængder af lys, ViSP-opsætningen kan nemt ændres fra en computerkonsol til at observere enhver bølgelængde i Solens synlige spektrum.

med ældre, arbejdskrævende spektropolarimetre, forskere har haft en tendens til at holde sig til velafprøvede bølgelængder af lys, som allerede er kendt for at være følsomme over for solens magnetisme. Forskere vil være i stand til at bruge ViSP til at studere de samme bølgelængder, og udnytte opløsningen af ​​Inouye Solar Telescope til at se på denne polarisering i hidtil usete detaljer.

Men ViSP vil også give videnskabsfolk en licens til at udforske hele spektret af synligt lys, hvor de kan snuble over nye polariserede signaler, som aldrig er blevet opdaget før, og som kunne berige deres forståelse af Solens magnetfelter. At finde disse tidligere uopdagede signaler er måske mere sandsynligt med ViSP fordi, ud over instrumentets automatiserede fleksibilitet, den er monteret under et enormt teleskop, der er i stand til at lukke så meget lys ind. Nye polariserede signaler kan være svagere end dem, der allerede er kendt, og deres detektion vil kræve en endnu større pulje af fotoner for at isolere signalet fra støjen.

"Fordi dette er det største solteleskop, det giver virkelig en mulighed for at lede efter nye ting - ting, der måske tidligere er blevet forsømt, fordi vi ikke havde nok lysopsamlende kraft, " sagde Casini. "Nu har vi lys nok."

ViSP er stadig i den sidste proces med webstedsaccept og videnskabelig verifikation, hvor Casini og hans kolleger skal vise, at instrumentet opfylder alle de lovede krav, og at det derfor er videnskabeligt levedygtigt. Når denne proces er afsluttet, vil instrumentet begynde videnskabelige operationer. Ultimativt, alle teleskopets instrumenter, inklusive ViSP, vil være tilgængelig for forskere over hele verden at bruge. Casini, For en, er spændt på, hvad solforskere kan lære.

"Vi har virkelig produceret et instrument, der lader dig udforske Solens synlige spektrum, som du vil, og vi kan blive overrasket over, hvad vi finder, " sagde han. "Der er meget, vi stadig kan lære af en serendipital opdagelse."