Adaptive Optik und Lasersterne

Unsere Atmosphäre ist ein Hindernis für die Beobachtung des Himmels

Die Erdatmosphäre ist dynamisch, ihre Luftschichten weisen eine heterogene Temperatur auf. Diese Schichten bewegen sich, vermischen sich, tauschen Energie aus, und Störungen aufgrund von Druck, Hitze, Feuchtigkeit und Bewegung erschweren astronomische Beobachtungen vom Boden aus erheblich. Dazu kommen permanente und unvorhersehbare atmosphärische Turbulenzen.

Die von den Teleskopen empfangenen Bilder zittern im Rhythmus der Bewegungen und Wirbel der Luftmoleküle. Wir sagen, dass die Wellenfront gestört ist. Die ebene Wellenfront, die sich über Milliarden von Jahren bewegt hat, bricht in den letzten Millisekunden ihrer Reise an der Erdatmosphäre ab. Seit 2010 gehört das AO-System zur Standardausrüstung großer Observatorien.

Allgemeines Prinzip

Adaptive Optik (AO) ist eine Technik zur Korrektur von Verzerrungen, die durch atmosphärische Turbulenzen verursacht werden, in Echtzeit. Diese Störungen verändern die Lichtwellenfront und verschlechtern die Auflösung bodengestützter Teleskope. Das System basiert auf einem verformbaren Spiegel, der von einem Wellenfrontanalysator gesteuert wird, der 1953 vom amerikanischen Astronomen vorgeschlagen wurde.Horace Babcock (1912-2003).

Künstliche Lasersterne

Wenn wir einen Bereich des Himmels beobachten möchten, in dem es keinen hellen Stern gibt, der ein Teleskop leiten könnte, erstellen Astronomen ihre eigene Lichtmarkierung: akünstlicher Laserstern. Sie schicken einen gelben Laserstrahl auf eine dünne Natriumschicht, die sich in etwa 90 km Höhe in der Mesosphäre befindet. Die Natriumatome werden angeregt und geben vom Boden aus sichtbares Licht zurück: Wir erhalten einen hellen Punkt, der als Referenz dient, um die Auswirkungen atmosphärischer Turbulenzen zu korrigieren und viel schärfere Bilder zu erhalten.

Hinweis: :
In der Mesosphäre der Erde gibt es tatsächlich eine Natriumschicht, deren Zentrum etwa 90 km über dem Meeresspiegel liegt. Es handelt sich nicht um eine sichtbare „Wolke“, sondern um einen extrem dünnen Schleier aus Na-Atomen, der durch die Ablation von Mikrometeoroiden entsteht.

So werden Bilder am Teleskopspiegel korrigiert

Ein Sensor beobachtet, wie Licht von einem Stern bzwLasersternwird beim Durchgang durch die Atmosphäre verformt. Ein Computer übersetzt diese Verzerrungen in eine Karte, die zeigt, wo und wie stark der Spiegel zum Ausgleich gebogen werden muss. Winzige Aktoren schieben oder ziehen einige zehn Nanometer auf der Rückseite des Spiegels, um dem Licht eine gleichmäßige Ausbreitungsfläche zu geben. Dieser Mess-Analyse-Korrektur-Zyklus wird hunderte bis tausende Male pro Sekunde wiederholt, um Turbulenzschwankungen direkt zu überwachen.

Leistung und Grenzen

Ziel ist es, die durch die Luft verursachten Verformungen nahezu vollständig aufzuheben und so scharfe Bilder zu erhalten, als ob sich das Teleskop im Weltraum befände. Qualität wird daran gemessenStrehl-Faktor, der zunimmt, wenn adaptive Optik den Restfehler reduziert.

• Die Korrektur wird durch die Anzahl der Aktoren und deren Geschwindigkeit begrenzt.
• Sehr feine oder sehr schnelle Turbulenzen können teilweise unkorrigiert bleiben.
• Als Referenz wird oft ein Laserstern verwendet, der jedoch das Ziellicht nicht exakt wiedergibt.
• Messrauschen schränkt die endgültige Genauigkeit der Korrektur ein.

In der Praxis führt die Kombination aus einem präzisen Sensor, einem robusten Rekonstruktionsalgorithmus und einer schnellen, dichten MD zu korrigierten Bildern, die sich der Beugungsgrenze des Teleskops für das korrigierte Spektralband und den korrigierten Winkel nähern.

Wissenschaftliche Anwendungen

AO-Systeme an Teleskopen wie dem VLT oder Keck ermöglichen die Aufnahme von Bildern, deren Auflösung nahe an der Beugungsgrenze liegt. Sie sind für die Abbildung von Exoplaneten und die Untersuchung galaktischer Kerne oder kompakter Sternhaufen unerlässlich.

Vergleichstabelle adaptiver Optiksysteme

Vergleichstabelle adaptiver Optiksysteme

Quellen:ESO, Keck-Observatorium, Gemini-Observatorium, MagAO-X, Subaru-Teleskop, TMT-Projekt.