Stjernekiggeri ved højlys dag:Hvordan et multi-linse teleskop ændrer astronomi

Astronomer ved Macquarie University har været banebrydende for en ny teknik til at observere himmellegemer i løbet af dagen, hvilket potentielt muliggør visuel overvågning af satellitter døgnet rundt og i høj grad forbedrer sikkerheden på Jorden og i rummet.

Deres teknik bruger universitetets Huntsman Telescope, en unik række af 10 kameralinser, der arbejder parallelt, oprindeligt designet til ultrafølsomme nattehimmelobservationer.

I et papir offentliggjort i Publications of the Astronomical Society of Australia den 20. maj demonstrerer forskerne Huntsmans evne til nøjagtigt at måle stjerner, satellitter og andre mål, når solen står højt over hovedet, på trods af at astronomer traditionelt kun observerer om natten.

"Folk har forsøgt at observere stjerner og satellitter i optiske bølgelængder i løbet af dagen i århundreder, men det har været meget svært at gøre. Vores test viser, at Huntsman kan opnå bemærkelsesværdige resultater i dagslystimer," siger hovedforfatter og astrofysisk Ph.D. kandidat Sarah Caddy, som hjalp med at designe og bygge Huntsman Telescope.

Caddy arbejdede med et hold af ph.d. studerende og ansatte på Macquarie for at indsætte Huntsman, som fejrede sin officielle åbning ved Siding Springs Observatory i Coonabarabran sidste år.

Teleskopet kombinerer et astronomikamera og astromekanisk fokuseringsudstyr med en række af 10 meget følsomme 400 mm Canon-objektiver, orienteret til at dække den samme del af himlen.

Fordi solen oversvømmer det meste lys fra andre himmellegemer, observerer astronomerne sjældent i løbet af dagen, men Caddy og hendes kolleger prøvede specielle "bredbånds"-filtre på en testversion af Huntsman-teleskopet for at blokere det meste dagslys, mens de stadig tillod specifikke bølgelængder fra himmellegemer at passere igennem.

Denne testversion, et mini-Huntsman single-linse pathfinder-teleskop installeret ved universitetets observatorium, gjorde det muligt for forskerholdet at vurdere forskellige indstillinger i et kontrolleret miljø uden at påvirke Huntsman-teleskopet.

Supernova nærmer sig

Huntsman's dagtimerne kapacitet tillader kontinuerlig overvågning af visse klare stjerner, der kan være uobserverbare om natten i flere måneder ad gangen, fordi de er for tæt på solen.

Et eksempel er den røde supergigant Betelgeuse, en nærliggende stjerne omkring 650 lysår væk i stjernebilledet Orion i vores Mælkevejsgalakse.

Betelgeuse er af stor interesse for astronomer, da stjernen blev dæmpet betydeligt fra slutningen af ​​2019 til 2020, sandsynligvis på grund af en større udslyngning af gas og støv.

"Uden denne dagstilstand ville vi ikke have nogen idé om, om en af ​​de klareste stjerner på himlen er blevet supernova, indtil et par måneder efter, at dets eksplosive lys nåede Jorden," siger medforfatter lektor Lee Spitler, Head of Space Projects på Macquaries australske astronomiske optik (AAO).

"Vi ved, at Betelgeuse vil sprænge 'snart' [i astronomiske termer betyder dette når som helst mellem nu og millioner af år ud i fremtiden], men ikke præcis hvornår det vil ske.

"I omkring fire måneder af året er det kun observerbart i dagtimerne, fordi solen kommer mellem Betelgeuse og Jorden på dette tidspunkt."

Kalibrering med Betelgeuse

Undersøgelsen bekræftede Huntsmans fotometridata i dagtimerne for Betelgeuse stemmer overens med observationer fra observatorier rundt om i verden og endda med rumteleskoper.

"Dette gennembrud baner vejen for uafbrudte, langsigtede studier af stjerner som Betelgeuse, når de gennemgår kraftige udbrud nær deres afslutning, og udstøder enorme mængder af stjernemateriale i de sidste stadier af den kosmiske genfødselscyklus," siger Spitler.

"Astronomer elsker, når stjerner i Mælkevejen bliver supernova, fordi det kan fortælle os så meget om, hvordan grundstoffer skabes i universet."

Desværre, tilføjer han, er supernovaer i Mælkevejen relativt sjældne - sidste gang det skete var i 1604.

"Men da en supernova gik i gang i en minigalakse ved siden af ​​vores Mælkevejsgalakse i 1987, var dette så nyttigt for astronomer, at de stadig observerer den ekspanderende supernovaeksplosion næsten 40 år senere."

Forebyggelse af kollisioner

At mestre observation i dagtimerne giver også en stor fordel i det hastigt voksende område af rumsituationsbevidsthed (SSA), som er tæt overvågning af en stadigt voksende population af satellitter, rumaffald og andre kunstige objekter, der kredser om Jorden.

Flere satellitter vil blive opsendt i de næste 10 år end i hele menneskets rumudforskningshistorie.

"Med omkring 10.000 aktive satellitter, der allerede cirkulerer planeten og planlægger at opsende yderligere 50.000 satellitter med lavt kredsløb om jorden i det næste årti, er der et klart behov for dedikerede dag- og natteleskopnetværk til løbende at detektere og spore satellitter," siger Caddy.

Potentielle satellitkollisioner har alvorlige konsekvenser for kommunikation, GPS, vejrovervågning og anden kritisk infrastruktur.

Satellitfotometri – en astronomiteknik, der bruger optiske teleskoper til at studere ændringer i lysstyrken af ​​himmellegemer – kan afsløre værdifuld information, herunder sammensætning, alder og tilstand af objekter i kredsløb.

"Ved at åbne op for observation af satellitter i dagtimerne kan vi ikke kun overvåge, hvor de er, men også deres orientering, og tilføjer til den information, vi får fra radar og andre overvågningsmetoder, og beskytter mod potentielle kollisioner," siger Caddy.

Astro-godbidder

Caddies hold demonstrerede Huntsmans potentiale for andre astronomiobservationer, der kræver dag- og natdækning, inklusive overvågning af satellitter.

Holdet brugte mini-Huntsman til at forfine teknikker over mange måneder og systematisk undersøgte faktorer som optimale eksponeringstider, observationstiming og præcis sporing af mål selv gennem atmosfærisk turbulens.

"Dagastronomi er et spændende felt, og med fremskridt inden for kamerasensorer, filtre og andre teknologier så vi dramatiske forbedringer i følsomheden og præcisionen, der kan opnås under lyse himmelforhold," siger Caddy.

Spitler tilføjer, "Vi har forfinet en metode til dagtidsobservation og demonstreret, at den kan udføres på prisbilligt, avanceret udstyr som Canon-objektiver."

Huntsman er blevet konstrueret, så de 10 linser arbejder parallelt og leverer 10 ultrahurtige CMOS-kamerasensorer, der tilsammen kan tage tusindvis af korteksponerede billeder i sekundet.

Det vedhæftede kamera kan behandle billeder og håndtere meget store datastrømme på et øjeblik, ved at bruge robotstyring til at spore og fange objekter i hurtig bevægelse og levere kontinuerlig 24-timers overvågning af objekter.

"At være i stand til at udføre nøjagtige observationer døgnet rundt ødelægger mangeårige restriktioner for, hvornår astronomer kan scanne himlen," siger Spitler.

"Astronomien i dagtimerne bliver mere og mere kritisk, efterhånden som vi går ind i den næste rumalder."