Tín dụng hình ảnh: NSO
Một hệ thống quang học thích ứng mới đang giúp Đài quan sát Mặt trời Quốc gia chụp được những hình ảnh sống động hơn nhiều về Mặt trời. Với hệ thống NSO mới; tuy nhiên, kính thiên văn mặt trời hiện có thể được chế tạo 4 mét và lớn hơn. Điều này sẽ cho phép các nhà thiên văn học mặt trời hiểu rõ hơn các quá trình từ tính mặt trời và các hoạt động khác.
Những hình ảnh ấn tượng, sắc nét của Mặt trời có thể được tạo ra bằng hệ thống quang học thích ứng tiên tiến sẽ mang lại sức sống mới cho các kính viễn vọng hiện có và mở đường cho một thế hệ kính viễn vọng mặt trời khẩu độ lớn. Hệ thống AO này loại bỏ hiện tượng mờ do bầu khí quyển hỗn loạn của Earth và do đó cung cấp một tầm nhìn rõ ràng về cấu trúc nhỏ nhất trên Mặt trời.
Hệ thống AO76 mới - Optive Optics, 76 subapertures - là hệ thống lớn nhất được thiết kế để quan sát mặt trời. Như được chứng minh gần đây bởi một nhóm tại Đài quan sát mặt trời quốc gia tại Sunspot, NM, AO76 tạo ra hình ảnh sắc nét hơn trong điều kiện nhìn thấy tồi tệ hơn cho sự biến dạng khí quyển so với hệ thống AO24 được sử dụng từ năm 1998.
Lần đầu tiên ánh sáng với hệ thống AO76 mới là vào tháng 12 năm 2002, sau đó là các thử nghiệm bắt đầu vào tháng 4 năm 2003 với một camera tốc độ cao mới giúp tăng cường đáng kể hệ thống.
Nếu kết quả đầu tiên vào cuối năm 2002 với nguyên mẫu là ấn tượng, thì tiến sĩ Thomas Rimmele, nhà khoa học dự án AO tại NSO, Hồi tôi sẽ gọi hiệu suất mà chúng ta đang thực sự kinh ngạc. Tôi rất vui mừng với chất lượng hình ảnh được cung cấp bởi hệ thống mới này. Tôi tin rằng công bằng mà nói rằng những hình ảnh chúng ta đang có được là tốt nhất từng được sản xuất bởi Kính viễn vọng Mặt trời Dunn. Dunn là một trong những cơ sở quan sát năng lượng mặt trời hàng đầu của quốc gia.
Chương trình hai mục đích
Hệ thống AO bậc cao mới phục vụ hai mục đích. Nó sẽ cho phép các kính viễn vọng mặt trời hiện có, như Dunn 76 cm (30 inch), tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao hơn và cải thiện đáng kể sản lượng khoa học của chúng trong phạm vi nhìn rộng hơn. Nó cũng cho thấy khả năng mở rộng hệ thống để cho phép một thế hệ thiết bị có khẩu độ lớn mới, bao gồm Kính viễn vọng Mặt trời Công nghệ Tiên tiến 4 mét được đề xuất (xem bên dưới) sẽ thấy ở độ phân giải cao hơn so với kính viễn vọng hiện tại có thể đạt được.
Các quan sát độ phân giải cao của Mặt trời ngày càng trở nên quan trọng để giải quyết nhiều vấn đề nổi cộm trong vật lý mặt trời. Nghiên cứu vật lý của các yếu tố thông lượng, hay cấu trúc mịn mặt trời nói chung, đòi hỏi quang phổ và phân cực của các cấu trúc mịn. Độ phơi sáng thường dài khoảng 1 giây và độ phân giải hiện đạt được trong dữ liệu quang phổ / phân cực thường là 1 cung giây, không đủ để nghiên cứu cấu trúc mặt trời tốt. Hơn nữa, các mô hình lý thuyết dự đoán các cấu trúc dưới giới hạn độ phân giải 0,2 arc giây của kính thiên văn mặt trời hiện có. Cần quan sát dưới giới hạn độ phân giải 0,2 cung giây để nghiên cứu các quá trình vật lý quan trọng xảy ra trên quy mô nhỏ như vậy. Chỉ AO có thể cung cấp độ phân giải không gian nhất quán 0,1 cung-giây hoặc tốt hơn từ các đài quan sát trên mặt đất.
Công nghệ AO kết hợp máy tính và các thành phần quang học linh hoạt để giảm các ảnh hưởng của hiện tượng mờ trong khí quyển (chụp nhìn thấy) trên các hình ảnh thiên văn. Hệ thống AO76 của Sunspot Sun dựa trên kỹ thuật tương quan Shack-Hartmann. Về bản chất, điều này phân chia một hình ảnh đến thành một loạt các ảnh con được xem bởi camera cảm biến sóng. Một subaperture được chọn làm hình ảnh tham khảo. Bộ xử lý tín hiệu số (DSP) tính toán cách điều chỉnh từng sóng con để phù hợp với hình ảnh tham chiếu. DSP sau đó ra lệnh cho 97 bộ truyền động định hình lại một chiếc gương biến dạng mỏng, 7,7 cm (3 inch) để loại bỏ phần lớn mờ. DSP cũng có thể điều khiển gương nghiêng / đầu, được gắn phía trước hệ thống AO, loại bỏ chuyển động hình ảnh thô do bầu khí quyển gây ra.
Đóng vòng lặp cho hình ảnh sắc nét hơn
Một thách thức lớn đối với các nhà thiên văn học là điều chỉnh ánh sáng đi vào kính viễn vọng của họ để tạo ra hiệu ứng của bầu khí quyển Trái đất, ông giải thích Kit Richards, kỹ sư trưởng dự án NSOiến AO. Không khí có nhiệt độ khác nhau trộn trên kính viễn vọng làm cho bầu khí quyển giống như một thấu kính cao su tự định hình lại khoảng một trăm lần mỗi giây. Điều này nghiêm trọng hơn đối với các nhà thiên văn học mặt trời quan sát vào ban ngày với bề mặt Trái đất sưởi ấm Mặt trời, nhưng vẫn khiến các ngôi sao lấp lánh vào ban đêm.
Hơn nữa, các nhà vật lý năng lượng mặt trời muốn nghiên cứu các vùng sáng mở rộng với độ tương phản thấp. Điều đó khiến cho hệ thống AO trở nên khó khăn hơn khi tương quan các phần giống nhau của một số cấu trúc con hơi khác nhau và để duy trì mối tương quan từ khung hình này sang khung hình tiếp theo khi bầu khí quyển thay đổi hình dạng.
(Thiên văn học ban đêm đã sử dụng một kỹ thuật khác trong nhiều năm. Laser tạo ra các ngôi sao dẫn hướng nhân tạo trong khí quyển, cho phép các nhà thiên văn đo và sửa lỗi cho sự biến dạng của khí quyển.
Năm 1998, NSO đã tiên phong sử dụng hệ thống AO24 bậc thấp để quan sát mặt trời. Nó có 24 khẩu độ và bù 1.200 lần / giây (1.200 Hertz [Hz]). Kể từ tháng 8 năm 2000, nhóm nghiên cứu đã tập trung vào việc nhân rộng hệ thống lên AO76 bậc cao với 76 khẩu độ và hiệu chỉnh nhanh gấp đôi, 2.500 Hz. Những đột phá bắt đầu vào cuối năm 2002.
Đầu tiên, vòng lặp servo đã được đóng thành công trên hệ thống AO bậc cao mới trong lần chạy kỹ thuật đầu tiên tại Dunn vào tháng 12. Trong một hệ thống servo vòng lặp kín, một hệ thống servo, đầu ra được đưa trở lại đầu vào và các lỗi được điều khiển về 0. Một hệ thống đường dây mở vòng lặp phát hiện ra các lỗi và sửa lỗi nhưng đầu ra đã sửa không được đưa trở lại đầu vào. Hệ thống servo không biết có loại bỏ được tất cả các lỗi hay không. Loại hệ thống này nhanh hơn nhưng rất khó để hiệu chỉnh và giữ hiệu chuẩn. Tại thời điểm này, hệ thống đã sử dụng camera DALSA, hoạt động ở mức 955 Hz, làm cảm biến mặt sóng tạm thời. Thiết lập quang học không được hoàn thiện và sơ bộ; Phần mềm xương trần của người Viking đã vận hành hệ thống.
Cảm biến sóng mặt tốc độ cao
Ngay cả ở trạng thái sơ bộ này - nhằm chứng minh rằng các thành phần hoạt động cùng nhau như một hệ thống và trong điều kiện nhìn thấy tầm thường, hệ thống AO bậc cao đã tạo ra hình ảnh ấn tượng, hạn chế nhiễu xạ. Trình tự thời gian của hình ảnh được chỉnh sửa và không bị lỗi cho thấy hệ thống AO mới cung cấp hình ảnh có độ phân giải cao khá nhất quán ngay cả khi việc nhìn thay đổi đáng kể, như là điển hình cho việc nhìn vào ban ngày.
Sau cột mốc này, nhóm đã cài đặt một camera cảm biến sóng mặt tốc độ cao mới được tùy chỉnh cho dự án AO của Baja Technology và NSO tựa Richards. Nó hoạt động ở tốc độ 2.500 khung hình / giây, nhiều hơn gấp đôi băng thông servo vòng kín có thể có với máy ảnh DALSA. Richards cũng thực hiện cải tiến phần mềm điều khiển. Ngoài ra, hệ thống được nâng cấp để điều khiển gương điều chỉnh độ nghiêng / nghiêng trực tiếp từ cảm biến mặt sóng AO hoặc từ hệ thống theo dõi tương quan / điểm tương quan riêng biệt hoạt động ở tần số 3 kHz.
AO76 bậc cao mới đã được thử nghiệm lần đầu tiên vào tháng 4 năm 2003 và ngay lập tức bắt đầu tạo ra những bức ảnh xuất sắc trong phạm vi nhìn rộng hơn mà thường sẽ loại trừ hình ảnh có độ phân giải cao. AO76 bậc cao mới đã được thử nghiệm lần đầu tiên vào tháng 4 năm 2003 và ngay lập tức bắt đầu tạo ra những bức ảnh xuất sắc trong phạm vi nhìn rộng hơn mà thường sẽ loại trừ hình ảnh có độ phân giải cao. Sự khác biệt nổi bật với AO bật so với tắt có thể dễ dàng nhìn thấy trong hình ảnh của các khu vực hoạt động, tạo hạt và các tính năng khác.
Không thể nói rằng việc nhìn thấy điều đó không còn quan trọng nữa, ông Rim Rimmele lưu ý. Ngược lại, nhìn thấy các hiệu ứng như dị hướng - sự khác biệt về mặt sóng giữa mục tiêu tương quan và khu vực chúng ta muốn nghiên cứu - vẫn là các yếu tố hạn chế. Nhưng trong nửa chừng nhìn thấy chúng ta có thể khóa hạt và ghi lại hình ảnh tuyệt vời.
Để có thể chế tạo các thiết bị lớn như Kính thiên văn mặt trời công nghệ tiên tiến, hệ thống AO bậc cao sẽ phải được nhân rộng hơn gấp mười lần đến ít nhất 1.000 phụ. Và NSO đang nhìn xa hơn đến một kỹ thuật phức tạp hơn, AO đa hình. Cách tiếp cận này, đã được phát triển cho thiên văn học vào ban đêm, xây dựng mô hình ba chiều của vùng hỗn loạn thay vì coi nó như một thấu kính méo đơn giản.
Tuy nhiên, hiện tại, nhóm dự án sẽ tập trung vào việc hoàn thành thiết lập quang học tại Dunn, lắp đặt băng ghế AO tại Đài quan sát mặt trời Big Bear, sau đó là chạy kỹ thuật, tối ưu hóa phương trình tái tạo và điều khiển vòng servo và đặc tính của hệ thống hiệu suất ở cả hai trang web. Sau đó, hệ thống Dunn AO sẽ đi vào hoạt động vào mùa thu năm 2003. Máy quang phổ phân cực giới hạn (DLSP), công cụ khoa học chính có thể tận dụng chất lượng hình ảnh giới hạn nhiễu xạ được cung cấp bởi AO bậc cao, được lên lịch cho lần chạy thử đầu tiên vào mùa thu năm 2003. NSO đang phát triển DLSP phối hợp với Đài quan sát Độ cao ở Boulder.
Nguồn gốc: NSO News Release
