Bildnachweis :: Keck
Das 10-Meter-Observatorium Keck II hat kürzlich einen wichtigen Schritt nach vorne gemacht, als es mit seinem neuen adaptiven Optiksystem Beobachtungen begann. Das System verwendet einen Laser, um einen gefälschten Stern etwa 90 Kilometer über dem Himmel zu erzeugen. Ein Computer kann diesen dann verwenden, um zu berechnen, wie die Auswirkungen atmosphärischer Störungen beseitigt werden können. Adaptive Optiken wurden bei kleineren Teleskopen verwendet, aber dies ist das erste Mal, dass sie bei einem Teleskop eingesetzt werden, das so groß ist wie das mächtige Keck II. Die Anpassung des Observatoriums dauerte neun Jahre.
Ein wichtiger Meilenstein in der astronomischen Geschichte fand kürzlich am W.M. Keck-Observatorium, als Wissenschaftler zum ersten Mal mit einem Laser einen künstlichen Leitstern auf dem 10-Meter-Teleskop Keck II erzeugten, um die Unschärfe eines Sterns mit adaptiver Optik (AO) zu korrigieren. Laserführsterne wurden bei kleineren Teleskopen verwendet, aber dies ist ihre erste erfolgreiche Verwendung bei der aktuellen Generation der größten Teleskope der Welt. Das resultierende Bild (Abbildung 1), das mit der NIRC2-Infrarotkamera aufgenommen wurde, war die erste Demonstration eines LGS AO-Systems (Laser Guide Star Adaptive Optics) auf einem großen Teleskop. Nach Fertigstellung wird das LGS AO-System eine neue Ära der Astronomie einläuten, in der Astronomen praktisch jedes Objekt am Himmel mit der Klarheit einer adaptiven Optik sehen können.
"Dies ist einer der erfreulichsten Momente in all meinen Jahren bei Keck", bemerkte Dr. Frederic Chaffee, Direktor des W.M. Keck Observatory am Abend der Beobachtungen wurden gemacht. „Wie bei jedem positiven ersten Lichtergebnis muss noch viel getan werden, bevor das System als betriebsbereit angesehen werden kann. Aber auch wie jedes positive erste Lichtergebnis zeigt es, dass es getan werden kann, und gibt uns großen Optimismus, dass unsere Ziele keine unmöglichen Träume sind, sondern erreichbare Realitäten. “
Die adaptive Optik ist eine Technik, die die bodengestützte Astronomie durch ihre Fähigkeit revolutioniert hat, die durch die Erdatmosphäre verursachte Unschärfe des Sternenlichts zu beseitigen. Das Erfordernis eines relativ hellen „Leitsterns“ im selben Sichtfeld wie das wissenschaftliche Untersuchungsobjekt hat die Verwendung von AO im Allgemeinen auf etwa ein Prozent der Objekte am Himmel beschränkt.
Um diese Einschränkung zu überwinden, hat der W.M. Das Keck Observatory begann mit Lawrence Livermore National Labs (LLNL) zusammenzuarbeiten, um ein künstliches Leitsternsystem zu entwickeln. Durch die Verwendung eines Lasers zur Erstellung eines "virtuellen Sterns" Astronomen können jedes Objekt in der Nähe von viel schwächeren Objekten (bis zur 19. Größe) mit adaptiver Optik untersuchen und seine Abhängigkeit von hellen, natürlich vorkommenden Leitsternen verringern. Dadurch wird die Himmelsabdeckung für das adaptive Keck-Optiksystem von geschätzten einem Prozent aller Objekte am Himmel auf mehr als 80 Prozent erhöht.
"Diese neue Möglichkeit, einen Laser-Leitstern mit einem großen Teleskop zu verwenden, hat Astronomen dazu eingeladen, den Nachthimmel viel umfassender zu erkunden", sagte Adam Contos, Optikingenieur am W.M. Keck-Observatorium. "In Zukunft würde ich erwarten, dass die meisten großen Observatorien ähnliche Systeme installieren, um diese unglaubliche Verbesserung ihrer AO-Fähigkeiten zu nutzen."
Nach mehr als siebenjähriger Entwicklungszeit feierten die Teams von Keck und LLNL im Januar 2001 die Fertigstellung des Keck-Laser-Leitsternsystems. Der künstliche Stern entsteht, wenn das Licht eines 15-Watt-Farbstofflasers eine natürlich vorkommende Schicht von Natriumatomen etwa 90 km über der Erdoberfläche leuchten lässt. Es würde weitere zwei Jahre anspruchsvoller Forschung und Konstruktion dauern, bis das Lasersystem in das adaptive Optiksystem Keck II integriert werden könnte.
In den frühen Morgenstunden des 20. September kamen schließlich alle Subsysteme zusammen, um die einzigartige Fähigkeit des Keck LGS AO-Systems und sein Potenzial zur Auflösung extrem schwacher Objekte aufzuzeigen. Das System sperrte einen Stern der 15. Größe, ein Mitglied einer bekannten T-Tauri-Binärdatei namens HK Tau, und enthüllte Details der zirkumstellaren Scheibe des Begleitsterns. Es war das erste Mal, dass ein adaptives Optiksystem an einem sehr großen Teleskop einen künstlichen Leitstern verwendete, um ein schwaches Objekt aufzulösen.
Eine zentrale Herausforderung für das LGS AO-Team bestand darin, wie erfolgreich die Bemühungen sein würden, gute Leistungsmessungen für jedes erforderliche Subsystem zu integrieren und zu erzielen. Bedenken hinsichtlich der Leistung des Lasers und seiner Punktqualität, des Betriebs des Laser-Verkehrskontrollsystems, der Fähigkeit der neuen Sensoren, schwächere Leitsterne zu erfassen, und der Fähigkeit, die Bildqualität durch ein genaues Verständnis der möglichen Aberrationen zu optimieren nicht mit dem Laser-Leitstern gemessen werden, wurden alle in die Beobachtung des Abends einbezogen.
"Das erste Licht war eine hervorragende Teamleistung", sagte Dr. Peter Wizinowich, Teamleiter des Teams für adaptive Optik bei W.M. „Es war sehr befriedigend, dass jedes der vielen Subsysteme bei unserem ersten Versuch so gut funktioniert. Um Virgil, "Audentes Fortuna Juvat", zu zitieren, begünstigt das Glück die Mutigen. "
Die Qualität der LGS AO First Light-Bilder war extrem hoch. Während das Keck LGS AO-System auf einem Stern der 14. Größe fixiert war, zeichnete es „Strehl-Verhältnisse“ von 36 Prozent (bei einer Wellenlänge von 2,1 Mikron und einer Belichtungszeit von 30 Sekunden, Abbildung 3) auf, verglichen mit vier Prozent bei unkorrigierten Bildern. Strehl-Verhältnisse messen den Grad, in dem sich ein optisches System der "beugungsbegrenzten" Perfektion oder der theoretischen Leistungsgrenze des Teleskops nähert.
Eine andere Leistungsmetrik, die "volle Breite bei halbem Maximum" (FWHM), für diesen Stern der 14. Größe betrug 50 Millibogensekunden, verglichen mit 183 Millibogensekunden für das nicht korrigierte Bild. Mithilfe von FWHM-Messungen können Astronomen die tatsächlichen Kanten eines Objekts bestimmen, bei denen die Erkennung möglicherweise ungenau oder schwer zu bestimmen ist. Die Messung von 50 Millibogensekunden entspricht in etwa der Unterscheidung eines Autoscheinwerfers in New York im Stehen in Los Angeles.
Während des gesamten Abends blieb der Laser-Leitstern stabil und hell und leuchtete mit einer ungefähren Stärke von 9,5, etwa 25-mal schwächer als das, was das menschliche Auge sehen kann, aber ideal für das adaptive Optiksystem von Keck, um atmosphärische Verzerrungen zu messen und zu korrigieren.
Weitere Arbeiten sind im Gange, bevor das Keck LGS AO-System als voll funktionsfähig angesehen werden kann. Das Keck LGS AO-System wird nächstes Jahr für begrenzte gemeinsame Risikowissenschaften verfügbar sein und 2005 vollständig für die Keck-Benutzergemeinschaft bereitgestellt.
"Schon bei diesem ersten Test fordern Astronomen die Verwendung des Laser-Leitsternsystems, um entfernte Galaxien mit einer beispiellosen Auflösung und Leistung zu untersuchen", sagte Dr. David Le Mignant, Wissenschaftler für adaptive Optikinstrumente am W.M. Keck Observatory, kalifornische Vereinigung für astronomische Forschung. "Bis zum nächsten Jahr wird die adaptive Optik verwendet, um die reiche Entstehungsgeschichte früher Galaxien zu untersuchen."
Die Bedeutung dieses Durchbruchs für die weltweite Astronomie wurde von Dr. Matt Mountain, dem Direktor des Gemini-Observatoriums, das zwei 8-Meter-Teleskope betreibt, eines auf Mauna Kea und eines auf Cerro Pachon in Chile, zusammengefasst: „Dies ist ein kritischer Meilenstein für die gesamte bodengestützte Astronomie, nicht nur für unsere aktuelle Generation von Teleskopen der Klasse 8 bis 10 Meter, sondern auch für unsere Träume von 30-Meter-Teleskopen. “
Die für das Keck LGS AO-System verantwortlichen Teammitglieder sind Antonin Bouchez, Jason Chin, Adam Contos, Scott Hartman, Erik Johansson, Robert Lafon, David Le Mignant, Chris Neyman, Paul Stomski, Doug Summers, Marcos van Dam und Peter Wizinowich von der WM Das Team dankte besonders den Mitarbeitern von LLNL: Dee Pennington, Curtis Brown und Pam Danforth.
Das adaptive Leitsystem für Laser-Leitsterne wurde von der W.M. Keck-Stiftung.
Die W.M. Das Keck Observatory wird von der California Association for Research in Astronomy betrieben, einer wissenschaftlichen Partnerschaft des California Institute of Technology.
Originalquelle: Keck-Pressemitteilung
