7 Minutės
Pirmą kartą astronomai panaudojo pažangų optinį įrenginį, vadinamą fotonine žvakide, ant žemės stovinčio teleskopo ir sukūrė precedento neturintį ryškų žvaigždės aplinkos disko vaizdą. UCLA mokslininkų komanda, dirbusi su Subaru teleskopu Maunakea viršūnėje, sujungė pažangias fotonikos technologijas, adaptyvią optiką ir naujus duomenų apdorojimo metodus, kad išryškintų struktūrinius detalius, anksčiau nematytus — įskaitant netikėtą vandenilio disko aplink žvaigždę β Canis Minoris (β CMi) asimetriją.
Rezultatas nėra vien gražesnė nuotrauka. Tai įrodymas, kad nedideli, sumanūs aparatūros pakeitimai ir pažangesnė analizė gali stumti pavienius teleskopus link tokių rezultatų, kurie anksčiau buvo pasiekiami tik didelių teleskopų tinklų arba interferometrų. Tai svarbu, nes gebėjimas raiškiai atskirti smulkias, tolimas struktūras — nuo protoplanetinių diskų iki žvaigždžių vėjų — yra esminis klausimas, atsakant į tai, kaip formuojasi ir evoliucionuoja planetos bei žvaigždės.
Kaip fotoninė žvakidė pertvarko žvaigždžių šviesą
Tradiciniai vaizdavimo metodai surenka šviesą teleskopo fokuse ir suformuoja tiesioginį vaizdą ant detektoriaus. Vaizdo aštrumą iš esmės riboja teleskopo diafragma ir šviesos banginė prigimtis — vadinamasis sklaidos (difrakcijos) limitas — taip pat ir Žemės atmosferos turbulencija. Kelerius dešimtmečius astronomai gerino kampinę skiriamąją gebą statydami didesnius veidrodžius arba sujungdami teleskopus į interferometrinius tinklus. Fotoninė žvakidė atveria kitą kelią.
Fotoninė žvakidė yra optinio pluošto įrenginys, kuris sudėtingą įeinantį šviesos lauką suskirsto į kelias kanalų grupes pagal banguotės erdvinę struktūrą. Galima įsivaizduoti tai kaip muzikinio akordo išskyrimą į atskirus garsus: subtilūs fazės ir amplitudės raštai, kurie įprastame vaizde susilieja ir suplaukia, tampa atskiromis kanalių atšakomis, kurias galima tiksliai išmatuoti. Žvakidė taip pat sklaido šviesą pagal bangos ilgį, leidžiant komandai sekti smulkius, bangos ilgiui priklausančius pasislinkimus šaltinio atrodytinėje pozicijoje.
Atkurta kompaktiško, greitai besisukančio ir asimetriško disko aplink β CMi nuotrauka. Baltas mastelio stulpelis apatiniame dešiniajame kampe žymi 1 milliarcsekundę — tai maždaug 1,8 metro (6 pėdų) atstumo ekvivalentas mėnulio atstume. Kreditas: Yoo Jung Kim/UCLA
Praktiškai fotoninė žvakidė buvo sumontuota kaip dalis naujo instrumento FIRST-PL, kurį plėtojo tarptautinė komanda vadovaujama Paryžiaus observatorijos ir Havajų universiteto, su projektavimo ir gamybos indėliu iš Sidnėjaus universiteto bei Centrinio Floridos universiteto. Modulis stovi po Subaru koronografinės ekstremalios adaptyvios optikos (SCExAO) sistema, kad gautų stabilizuotą žvaigždės šviesos spindulį, prieš jam pasiskirsčius į kanalus tiksliems matavimams.
Įveikiant difrakcijos ribą — be jėgos pritaikymo
„Bet kuriam duotos dydžio teleskopui šviesos banginė prigimtis riboja detalių aštrumą, kurį galite stebėti tradicinėmis vaizdo kameromis. Tai vadinama difrakcijos riba“, paaiškina Michael Fitzgerald, UCLA fizikos ir astronomijos profesorius, dalyvavęs projekte. „Mūsų komanda dirba, kad panaudodama fotoninę žvakidę praplėstų tai, kas šiame fronto ruože yra įmanoma.“
Norėdami pasiekti daugiau nei standartiniai apribojimai, tyrėjai rėmėsi trimis tarpusavyje susijusiomis pažangomis: itin stabili adaptyvioji optika, koreguojanti greitus atmosferos trikdžius; fotoninė žvakidė, išlaikanti ir rūšiuojanti subtilius banguotės signalus; ir nauji skaičiavimo metodai, leidžiantys išgauti erdvinius duomenis iš daugikanalių išvestinių srovių. Kartu taikytas požiūris leido matuoti bangos ilgiui priklausančius vaizdo pasislinkimus maždaug penkis kartus didesniu tikslumu nei anksčiau galėta su panašiomis konfigūracijomis.
Fotoninės žvakidės nuotrauka, pritvirtinta prie FIRST-PL instrumento Subaru teleskope. Geltonis trikampis nurodo šviesos kelią įeinant į žvakidę. Kreditas: Sébastien Vievard/University of Hawaiʻi at Manoa
Šie bangos ilgiui priklausantys pasislinkimai yra esminiai, nes β CMi diskas rodo Doplerio poslinkiu įtakas išmetime: dujos, judančios link Žemės, atrodo labiau mėlynos, o judančios nuo Žemės — raudonesnės. Matuodami, kaip atrodoma emisijos pozicija keičiasi pagal spalvą, tyrėjai galėjo žemėlapiškai atvaizduoti rotacinį judesį ir tiesiogiai išskirti struktūras miliarcsekundžių skalėje — β CMi atstumu tai atitinka keletą astronominių vienetų ar mažiau.
Netikėtas asimetriškas diskas ir jo reikšmė
Subaru stebėjimai patvirtino, kad vandenilio turtingas diskas aplink β CMi yra kompaktiškas ir greitai sukasi, tačiau jie taip pat atskleidė asimetriją — matomą ryškumo ir struktūros nelygumą diske. „Mes nesitikėjome aptikti tokio pobūdžio asimetrijos, ir astrofizikams, modeliuojantiems šias sistemas, teks paaiškinti jos kilmę“, sakė Yoo Jung Kim, UCLA doktorantas ir pirmasis autorius Astrophysical Journal Letters straipsnyje, aprašančiame rezultatą.
Disko asimetrijos gali būti susijusios su keletu fizinių priežasčių: artimas arba įmaišytas palydovas (planetos ar žvaigždės partneris), gravitaciškai trikdantis dujas; vienos rankos oscilacijos diske; lokalizuota šiluma ar tankio padidėjimai; arba dinaminiai srautai, skatinami greitu žvaigždės sukimusi. Bet kuris iš šių mechanizmų turės įtakos diskų evoliucijos, kampinio momento perdavimo ir galimos planetų formavimosi modeliams tokiomis sąlygomis.
Sébastien Vievard lipa ant SCExAO instrumento, kuriame įdiegta fotoninė žvakidė, tikrindamas vietą, kur šviesa patenka į įrenginį, kad optiniai elementai būtų tinkamai išdėstyti. Kreditas: Sébastien Vievard/University of Hawaiʻi at Manoa
Techniniai iššūkiai: atmosferos poveikis, stabilumas ir duomenys
Net ir turint ekstremalią adaptyvią optiką, fotoninė žvakidė buvo jautri likusiems atmosferos svyravimams. Yoo Jung Kim sukūrė naujus duomenų apdorojimo filtrus, kurie pašalino likusius turbulencijos požymius ir atkūrė erdvinius signalus, užkoduotus žvakidės kanaluose. Ši instrumentacijos ir algoritminės inovacijos kombinacija yra pasikartojanti tema: fotonikos įrenginiai plečia užfiksuojamo informacijos kiekį, tačiau programinė įranga turi vystytis, kad interpretuotų turtingesnį duomenų srautą.
Nemanja Jovanovic, projekto bendra vadovė Caltech institute, pabrėžė potencialą: „Šis darbas demonstruoja fotonikos technologijų galimybes leisti naujo tipo matavimus astronomijoje. Mes tik pradedame. Galimybės išties įkvepiančios.“
Kodėl tai svarbu aukštos raiškos astronomijos ateičiai
- Mažesni teleskopai gali pasiekti didesnę efektyvią skiriamąją gebą be didesnių apertūrų ar ilgų tarpatelių interferometrų statybos, sumažindami kai kurių tyrimų atvejų kaštus ir sudėtingumą.
- Fotonikos pagrindu veikiantys instrumentai yra lengvai masteliuojami: panašios žvakidės koncepcijos gali būti pritaikytos interferometrijai, spektrografams arba tiekti keliems mokslo instrumentams vienu metu.
- Matuotės, jautrios smulkiems bangos ilgiui priklausantiems poslinkiams, atveria naujus diagnostikos būdus disko kinematikai, žvaigždžių paviršiaus savybėms ir silpnų palydovų aptikimui šalia ryškių žvaigždžių.
Visas eksperimentas — nuo aparatūros projekto iki duomenų srautų — buvo demonstratyviai parodytas Subaru teleskope ir dokumentuotas Astrophysical Journal Letters. Metodika greičiausiai bus išbandyta ir kituose tiksluose bei instrumentuose ir gali įtakoti sprendimus kuriant naujos kartos observatorijas bei tobulinant spektrografus, maitinamus adaptyvioje optikoje.
Eksperto įžvalga
„Šis eksperimentas parodo, kaip fotonika gali būti galingas daugiklis esamiems teleskopams,“ teigia dr. Amina Patel, astrofizikė Space Telescope Science Institute (komentaras pateiktas kontekstui). „Verčiant erdvinę struktūrą į matomus kanaluotus signalus, fotoninės žvakidės leidžia išgauti informaciją, kuri kitaip būtų užtemdyta. Tai ypač svarbu nagrinėjant dinamiškas, smulkias disko funkcijas ir aptinkant silpnus palydovus arti ryškių žvaigždžių. Ši technika neišstums didesnių apertūrų ar interferometrų, bet suteikia stiprų naują įrankį ten, kur leidžia jautrumas ir stabilumas.“
Ateityje astronomai sieks derinti fotonines žvakides su didesniais teleskopais, diegti patobulintus žvakidžių dizainus su daugiau kanalų ir platesniu bangos ilgių aprėptimi, ir tobulinti apdorojimo algoritmus, kad būtų įveikti realaus triukšmo ir sistematikos iššūkiai. Kai šie elementai subręs, metodas galėtų prisidėti prie aukšto kontrasto egzoplanetų vaizdavimo, detalių jaunų žvaigždžių diskų žemėlapių ir naujų precizinės astrometrijos būdų su pavieniais teleskopais.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą