Óptica adaptativa e estrella guía láser

Principio de un sistema de óptica adaptativa

Si los mayores telescopios terrestres se encuentran en altitud es porque nuestra atmósfera es una verdadera obstáculo para la observación del cielo.
La atmósfera de la Tierra es dinámica, sus capas de aire son heterogéneos en temperatura, se mueven, se mezclan, se intercambian energía, y las perturbaciones debido a la presión, al calor, a la humedad, y el movimiento, estorba enormemente las observaciones astronómicas realizadas desde la Tierra. De hecho esta turbulencia atmosférica constante e impredecible hace temblar las imágenes recibidas en el ritmo de los variaciones de las moléculas de aire de las capas atmosféricas. Como las moléculas de aire se agitan muy rápidamente, forman vórtices, se mueven en unos pocos milisegundos, los objetos observados también se agitan y se mezclan haciendo que las imágenes son borrosas. Se dice que el frente de onda se ve perturbado. El frente de onda plano, que viajó miles de millones de años se ha roto en el último milisegundo de su viaje en la atmósfera de la Tierra.
A partir de los años 2000, los sistemas de óptica adaptativa (OA) son experimentados en los telescopios existentes y desde 2010 el sistema de OA es parte del equipamiento de serie de los grandes observatorios.
¿Cuál es el principio de un sistema de óptica adaptativa?
La óptica adaptativa pueden observar el cielo, reduciendo los efectos de la distorsión óptica dinámica, los efectos perturbadores de la turbulencia, que desdibujan las imágenes son así, "eliminados".
El sistema en tiempo real, de óptica adaptativa analiza las perturbaciones de la luz por la atmósfera, los computadores de óptica adaptativa calculan las correcciones y activan, cada milisegundo, mini espejos deformables (del orden de 16 a 50 mm), mecanizados al nivel microscópico para compensar los avances y los retrasos sufridos por los frentes de onda de luz.

Estos frentes de onda, ya que son casi planos en el vacío interestelar, son cada vez más distorsionados a medida que pasan a través de las capas de la atmósfera (ver imagen).
Las imágenes enfocadas por los telescopios son aún más borrosas como las turbulencias son fuertes. Esto es muy molesto cuando los científicos observan objetos con poca luz el universo temprano.
Un sistema de óptica adaptativa necesita una referencia, una "estrella guía" para calibrar el sensor de frente de onda del telescopio. Esta estrella debe ser suficientemente brillante y situado en las proximidades del objeto observado. Sin embargo, a pesar del alto número de estrellas, la operación no es fácil, por lo que los científicos tuvieron la idea de crear una estrella virtual. Esta estrella es una estrella láser. El sistema de óptica adaptativa envía un haz de láser en la capa de sodio de la mesosfera (entre 50 y 100 km de altitud), éste "rebota" y una estrella artificial aparece. Aunque esta estrella láser plantea muchos problemas técnicos, es gracias a ella que el sistema determina "correctamente" la inestabilidad del aire en las proximidades del objeto observado.

N.B.: Espejos deformables son ópticas adaptativas con caras dinámicas capaces de modificar el frente de onda de la luz reflejada, para una aplicación específica. Con un control de tiempo, un espejo deformable puede enfocar un haz en diferentes puntos en diferentes momentos en un sistema óptico. Pueden mejorar las imágenes ópticas de los telescopios y otros sistemas de imagen. Espejos deformables vienen en una variedad de tamaños. Los tamaños estándar van desde 16 mm de diámetro con 37 actuadores (25-37 DM) a 50 mm de diámetro con 61 actuadores (50-61 DM).

Imagen: Comparación entre dos imágenes de cúmulos de estrellas distantes. La izquierda fue tomada sin el uso de sistema de óptica adaptativa y la derecha, con el sistema AO. Históricamente, cada vez que crecen los telescopios, los problemas crecen demasiado, es lo que los ingenieros llaman "grado de dificultad". Con un sistema de óptica adaptativa, las imágenes son corrigidas en tiempo real, dependiendo de la difuminación atmosférica, que no siempre es tan pronunciada, dependiendo de la turbulencia del momento. Cuando la atmósfera está perturbada, la falta de definición es más acentuada, podemos hacer la analogía con las olas de un mar embravecido y las olas de un mar tranquilo. crédito Imagen: GMT (Giant Magellan Telescope).

Las Estrellas Láser

La óptica adaptativa, la estrella láser permite que ya no dependan de una verdadera estrella, cerca del objeto observado. Los efectos perturbadores de la atmósfera de la Tierra son reducidos y los científicos obtener imágenes más nítidas.
Esta estrella guía láser, creado artificialmente en el campo de visión, mejora la calidad de la corrección de los telescopios terrestres utilizando la óptica adaptativa.
El rayo láser de Yepun, uno de los cuatro telescopios VLT, cruza el cielo del sur y crea una estrella artificial a una altitud de 90 kilómetros en la mesosfera de la Tierra. La Estrella Guía Láser (LGS) se utiliza como referencia para corregir el efecto borroso de la atmósfera en las imágenes. El color del láser se sintoniza con precisión para dinamizar una capa de átomos de sodio presentes en una de las capas superiores de la atmósfera. El color del láser es del mismo color que las luces de sodio de la calle de nuestras ciudades. Cuando los átomos de sodio son excitados por la luz láser, los átomos se vuelven incandescentes, formando un pequeño punto brillante que se puede utilizar como una estrella de referencia artificial para la óptica adaptativa. Usando esta técnica, los astrónomos pueden obtener observaciones mucho más nítidas. Por ejemplo, cuando se mira hacia el centro de nuestra Vía Láctea, los investigadores pueden observar mejor el ballet de estrellas, gas y polvo que orbitan alrededor del agujero negro supermasivo central.

Imagen: Los astrónomos de la Very Large Telescope en Cerro Paranal, en Chile, utilizando un rayo láser dirigido en la dirección de la observación para crear una estrella artificial para la óptica adaptativa. El color del láser, se estableció con precisión, dinamiza los átomos de sodio presentes en una de las capas superiores de la atmósfera. Imagen crédito Observatorio Yuri Beletsky ESO Paranal, Chile.

Imagen: Los Frente de onda son casi planos en el vacío interestelar pero están distorsionados cuando pasan a través de las capas de la atmósfera. El sistema de óptica adaptativa, en tiempo real, calcula correcciones y acciona instantáneamente mini espejos deformables para compensar los avances y retrasos del frente de onda de luz. Crédito Imagen: www.astronoo.com

Lista de los mayores telescopios ópticos