Óptica adaptativa e estrelas laser

Princípio de um sistema de óptica adaptativa

Se os maiores telescópios terrestres estão localizados em altitude é porque a nossa atmosfera é um constrangimento real para a observação do céu.
A atmosfera da Terra é dinâmica, suas camadas de ar são heterogêneos na temperatura, se movem, se misturam, trocam da energia e as perturbações devido à pressão, calor, umidade, movimento, embaraçam grandemente as observações astronômicas feitas a partir da Terra. Na verdade, esta turbulência atmosférica constante e imprevisível balançou as imagens recebidas no ritmo das variações das moléculas de ar das camadas atmosféricas. Como as moléculas de ar são se agitam muito rapidamente, formam dos vórtices, se movem em poucos milésimos de segundo, os objetos observados também são agitados e se misturam fazendo imagens desfocadas. Diz-se que a frente de onda é perturbada. A frente de onda plano, que viajou por bilhões de anos é quebrado no último milésimo de segundo de sua jornada na atmosfera da Terra.
A partir da década de 2000 dos sistemas de óptica adaptativa (OA) são experientes em telescópios existentes e, desde 2010, o sistema OA faz parte do equipamento de série dos grandes observatórios.
Qual é o princípio de um sistema de óptica adaptativa?
Óptica adaptativa pode observar o céu na redução dos efeitos de distorção óptica dinâmica, os efeitos perturbadores das turbulências, que distorcem imagens são, portanto, "eliminados".
O sistema tempo real de óptica adaptativa, análise as perturbações da luz pela atmosfera, os computadores de óptica adaptativa calculam as correções e operam cada milésimo de segundo dos mini-espelhos deformáveis (da ordem de 16 a 50 mm), usinados em nível microscópico para compensar os avanços e os atrasos submetidos para as frentes de onda de luz.

Essas frentes de onda como eles são quase planas no vácuo interestelar, estão cada vez mais distorcidas enquanto eles passam através das camadas da atmosfera (ver imagem). As imagens focadas pelos telescópios são ainda mais turvas como as turbulências são fortes. Isso é extremamente irritante quando cientistas observar objetos com pouca luz do início do universo.
Um sistema de óptica adaptativa necessita de uma referência, a "estrela guia" para calibrar o sensor de frente de onda do telescópio. Esta estrela deve ser suficientemente brilhante e localizada na vizinhança da estrela observada. No entanto, apesar do elevado número de estrelas, a operação não é fácil, por isso, os cientistas tiveram a ideia de criar uma estrela virtual. Esta estrela é uma estrela laser. O sistema de óptica adaptativa envia um feixe laser na camada de sódio da mesosfera (entre 50 km e 100 km de altitude), ele "ricochetea" e uma estrela artificial aparece. Embora esta estrela laser apresenta uma série de problemas técnicos, é graças a ela que o sistema determina "correctamente" a instabilidade do ar na proximidade do objecto observado.

N.B.: Espelhos deformáveis são ópticas adaptativas com rostos dinâmicos capazes de modificar a frente de onda da luz refletida para uma aplicação específica. Com um controle de tempo, um espelho deformável pode focalizar um feixe em pontos diferentes em momentos diferentes em um sistema óptico. Eles podem melhorar as imagens ópticas nos telescópios e outros sistemas de imageologia. Espelhos deformáveis vêm em uma variedade de tamanhos. Os tamanhos padrão variam de 16 mm de diâmetro com 37 atuadores (25-37 DM) a 50 mm de diâmetro e 61 atuadores (50-61 DM).

Imagem: Comparação entre duas imagens de aglomerados de estrelas distantes. A esquerda foi feita sem o uso de sistema de óptica adaptativa e à direita, com o sistema AO. Historicamente, sempre que telescópios crescem, os problemas crescem também, é o que os engenheiros chamam "grau de dificuldade". Com um sistema de óptica adaptativa, as imagens são corrigidas em tempo real, de acordo com a diluição da atmosfera, o que não é sempre tão acentuado, dependendo da turbulência do momento. Quando a atmosfera é perturbada, o distorcido é mais acentuada, podemos fazer a analogia com as ondas de um mar revolto e as ondas de um mar calmo. Crédito imagem: GMT (Giant Magellan Telescope).

Estrelas Laser

Em Óptica Adaptativa, a estrela laser permite deixar de ser dependente de uma verdadeira estrela, perto do objeto observado. Os efeitos negativos da atmosfera da Terra são reduzidos e os cientistas obtem imagens mais nítidas.
Esta estrela guia laser, artificialmente criado no campo de visão, melhora a qualidade da correcção dos telescópios terrestres utilizando óptica adaptativa.
O feixe laser de Yepun, um dos quatro telescópios VLT, cruza o céu do sul e cria uma estrela artificial a uma altitude de 90 km na mesosfera da Terra. O Laser Guide Star (LGS) é usado como referência para corrigir o efeito de borrão da atmosfera em imagens. A cor do laser é ajustado com precisão, para energizar uma camada de átomos de sódio presentes em uma das camadas superiores da atmosfera. A cor do laser é a mesma cor que as luzes de sódio da rua de nossas cidades. Quando os átomos de sódio são excitados pela luz laser, se tornam incandescente, formando um pequeno ponto luminoso que pode ser usado como uma estrela de referência artificial para a óptica adaptativa. Usando esta técnica, os astrônomos podem obter observações muito mais nítidas. Por exemplo, quando se olha para o centro da nossa Via Láctea, os pesquisadores podem observar melhor o balé de estrelas, gás e poeira que giram em torno do buraco negro supermassivo central.

Imagem: Astrónomos do Very Large Telescope em Cerro Paranal, no Chile, usam um feixe laser direcionado no sentido de observação para criar uma estrela artificial para a óptica adaptativa. A cor do laser, resolvada com precisão, energiza átomos de sódio presentes em uma das camadas superiores da atmosfera. Imagem Observatório Credit Yuri Beletsky ESO Paranal, Chile.

Imagem: As frentes de onda são quase planas no vácuo interestelar mas são distorcidas quando passam através das camadas da atmosfera. O sistema tempo real de óptica adaptativa calcula correções e funciona instantaneamente em mini espelhos deformáveis para compensar os avanços e os atrasos submetidos por as frentes de onda de luz. Crédit image : www.astronoo.com

Lista dos maiores telescópios ópticos