Aktivní Optika

Převratný vynález

V případě astronomického dalekohledu na velikosti promárního zrcadla rozhodně záleží, ale záleží také na jeho správném tvaru. Vetší primární zrcadlo  umožňuje zachytit více světa a dokonalý tvar je nezbytný k dosažení co nejlepšího obrazu bez vad. Teprve kombinace těchto dvou paramatrů umožní zaznamenat ty nejslabší objekty. Vždy to však byl obtížný úkol a jak se zvětšoval průměr zrcadla, zachování jeho správného tvaru se stalo čím dál tím obtížnější. 

Zásadní problém nastal v 60. a 70. letech 20. století. Tehdejší technologi prostě neumožňovaly inženýrům zkonstruovat pro astronomy dalekohledy s hlavním zrcadlem větším naž 5 m v průměru. Jakmile byla tato hranice překročena, kvalita obrazu, který takové zrcadlo poskytovalo, se enormě zhoršovala v důsledku jeho deformace zrcadla působením gravitace. Postavení takového dalekohledu tehdy važadovalo mohutné podpůrné konstrukce s obrovskými náklady na stavbu bez zaručeného výsledku. Aby bylo možné optickou přesnost celého systému zajistit, bylo potřeba najít nové způsoby, jak celý dalekohled postavit. 

V té době přišel inženýr Raymond Wilson pracující pro ESO s geniální a na první pohled jednoduchou myšlenkou - aktivní optikou. Tvar tenkého primárního zrcadla je možné měnit aktivními prvky podpory, které působí přesně takovou silou, aby vyrovnala deformace způsobené gravitací při změnách polohy dalekohledu (více se můžete dočíst v knize Clause Madsena Jewel on the Mountaintop).

Když byl v roce 1976 inaugurován nový dalekohled ESO’s 3.6-metre telescope, aktivní optika byla stále jen ideou v hlavě pana Wilsona. Proto je jeho primární zrcadlo silné půl metru a váží neuvěřitelných 11 tun.

Nový koncept byl otestován v ředitelství ESO s tenkým zrcadlem o průměru 1 m a aktivní podporou v podobě 75 aktuátorů. Jedná se v podstatě o velmi přesné a precizně kontrolovatelné motory, které tlačí zespodu na zrcadlo, čímž korigují jeho tvar a kompenzují tak deformace vzníklé působením gravitace. Jak se dalekohled pohybuje, tyto členy jsou schopny udržet zrcadlo ve správném tvaru. Potřebné korekce jsou pořítány v reálném čase na počítači, který analyzuje obraz a detejuje i ty nejmenší odchylky od správného tvaru. Aktivní optika byla vyvinuta v ESO a po úspěšných testech byla instalována jako hlavní součást dalekohledu NTT (New Technology Telescope). Poze díky použití adaptivní optiky může mít primární zrcadlo NTT o průměru 3,58 m sílu pouze 24 cm a hmotnost jen 6 tun.
1-metre telescope supports for the active optics experiment at the ESO headquarters in Garching in 1987
Experimentální uložení s aktivní optikou pro zrcadlo o průměru 1 m.
Ředitelství ESO v Garchingu (1987, kredit: ESO)
The New Technology Telescope (NTT) pioneered the Active Optics.
Dalekohled NTT (New Technology Telescope) vybavený první aktivní optikou.
Kredit: ESO/C.Madsen. Bacon

Dalekohled NTT začal pracovat v roce 1990 a od té doby byla aktivní optika aplikována na všech velkých dalekohledech včetně VLT (Very Large Telescope). Raymond Wilson obdržel za svou práci, která zcela změnila pohled na konstrukci astronomických dalekohledu, řadou ocenění.

Každý ze čtveřice dalekohledů systému VLT je vybaven tou nejmodernější aktivní optikou, jaká je k dispozici. Systém kontroluje tvar nejen primárního zerodurového zrcadla o průměru 8,2 m, ale také sekundárního beryliového zrcadla v horní části konstrukce dalekohledu. Jejich tvar je v pravidelných intervalech opravován na základě signálů z příslušné části systému.

Díky této technologii váží promární zrcalo každého dalekohledu VLT o průměru 8,2 m jen 22 tun a je silné jen 17 cm - vypadá dolova jako obří lívanec!

Each of the mirrors rests on 150 computer-controlled supports (the actuators) that are installed in an exceedingly rigid cell that weighs about 11 tonnes. The VLT active optics system ensures that these large mirrors always have the optimal shape and will always deliver top-notch images of the Universe.

VLT Active Optics System
Systém aktivní optiky VLT.
Kredit: ESO
The prestigious Kavli Prize in Astrophysics for 2010 was awarded to Jerry Nelson, Raymond Wilson and Roger Angel for their contribution to the development of giant telescopes.
Prestižní Kavliho cenu (Kavli Prize) za astrofyzikiku pro rok 2010 získali Jerry Nelson, Raymond Wilson a Roger Angel za jejich příspěvek k vývoji velkých dalekohledů.
Kredit: ESO. Bacon

Nyní se ale systém aktivní optiky musí připravit na nový nelehký úkol v podobě segmentového primárního zrcadla pro dalekohled E-ELT, které bude mít celkový průměr 39 m. Bude složeno ze 798 jednotlivých segmentů. Každý segment bude mít možnosdt pohybu pomocí pístu a mechanismu pro náklon. Díky tomu bude tato mozajka schopná pracovat jako jedno obří zrcadlo a korigovat při tom změny tvaru vyvolané teplotou a gravitací.

Více se můžete dozvědět například v tomto díle ESOcast věnovaném aktivní optice: Seeing Sharp — Special 50th anniversary episode #3.

Vědecké úspěchy

Systém adaptivní optiky instalovaný na několika dalekohledech ESO pomohl učinit řadu významných vědeckýchobjevů: