Optyka aktywna

Wynalezienie czegoś rewolucyjnego

Rozmiar naprawdę ma znaczenie, a także kształt. Obie te cechy są ważne w przypadku budowy coraz potężniejszych teleskopów. Większe zwierciadła główne pozwalają astronomom na uchwycenie więcej światła, a idealnie ukształtowana powierzchnia zwierciadła jest potrzebna, aby uniknąć zaburzeń; efektywne połączenie tych dwóch cech umożliwia obserwowanie słabszych obiektów. Niestety nigdy nie było to proste, a utrzymanie idealnego kształtu staje się tym trudniejsze, im większe jest zwierciadło teleskopu.

Wyzwanie to stało się istotne w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych. Technologia dostępna w tamtych czasach nie pozwalała astronomom i inżynierom na budowanie teleskopów ze zwierciadłami głównymi powyżej 5 metrów średnicy. Jeśli rozmiar przekraczał tę wartość, jakość obrazu pogarszała się drastycznie, ponieważ grawitacja wpływała na kształt zwierciadeł. Używanie technologii tamtych czasów do budowy zwierciadeł powyżej 5 metrów średnicy wymagałoby gigantycznych struktur wspierających i wyższych kosztów konstrukcji, dając w efekcie bardzo ciężkie struktury bez gwarancji lepszego obrazu. Trzeba było wymyślić nowe podejście, aby zapewnić optyczną dokładność.

Wtedy to inżynier z ESO, Raymond Wilson, zaproponował świetny i "prosty" pomysł nazwany optyką aktywną. Cienkie i deformowalne zwierciadło główne byłoby kontrolowane przez aktywnym system wsporników, które wywierałyby odpowiednie siły, aby korygować deformacje wywołane grawitacją, w momencie gdy teleskop zmieniałby swoje ustawienie (więcej na ten temat można przeczytać w bezpłatnej książce pt. Jewel on the Mountaintop, której autorem jest Claus Madsen).

Gdy w 1976 roku zainaugurowano 3,6-metrowy teleskop ESO, optyka aktywna nadal była tylko ideą w głowie Wilsona. Dlatego zwierciadło główne tego teleskopu ma pół metra grubości i waży aż 11 ton.

Nowa koncepcja została przetestowana w ESO Headquarters w cienkim 1-metrowym zwierciadle z aktywnym wsparciem od 75 siłowników. Siłowniki to silniki, które poruszają się bardzo dokładnie i można je precyzyjnie kontrolować: przesuwając zwierciadło korygują jego kształt i kompensują zaburzenia wywołane grawitacją. Gdy teleskop się porusza, aktywny system może utrzymywać właściwy kształt zwierciadła. Korekcje stosowane przez siłowniki są obliczane w czasie rzeczywistym dzięki komputerowi z analizatorem obrazu, który wykrywa nawet najmniejsze odchyłki od idealnego kształtu lustra. Optyka aktywna została opracowana wewnętrznie w ESO, a po udanych próbach stała się główną cechą Teleskopu Nowej Technologii (NTT). Dzięki optyce aktywnej, 3,58-metrowe zwierciadło główne NTT ma tylko 24 centymetry grubości i waży 6 ton.

Wsporniki 1-metrowego teleskopu służące do testów optyki aktywnej w Centrali ESO ESO w Garching w 1987 r. Fot.: ESO

Teleskop Nowej Technologii (NTT) był pionierem optyki aktywnej.
Fot.: ESO/C.Madsen. Bacon

Od momentu gdy teleskop NTT rozpoczął działanie w 1990 r., optyka aktywna została zastosowana we wszystkich większych teleskopach, w tym w należącym do ESO Bardzo Dużym Teleskopie (VLT). Wilson został uhonorowany wieloma nagrodami za swój wynalazek, który okazał się prawdziwą rewolucją w astronomii.

Każdy z czterech Teleskopów Głównych w ramach VLT jest wyposażony w najlepszy skonstruowany do tej pory system optyki aktywnej. Kontroluje od 8,2-metrowe zwierciadło główne z materiału Zerodur, a także 1,1-metrowe lustro wtórne z lekkiego berylu, znajdujące się na górze struktury teleskopu. Bazując na odpowiednich sygnałach od tego urządzenia, zwierciadła teleskopu są automatycznie korygowane w regularnych odstępach czasu.

Dzięki tej technologii, zwierciadła główne czterech Teleskopów Głównych ważą po 22 tony, i przy 8,2 metrach średnicy mają zaledwie 17 centymetrów grubości — kształt gigantycznego naleśnika! Każde ze zwierciadeł spoczywa na 150 kontrolowanych komputerowo wspornikach (siłownikach), które są zamontowane w bardo sztywnej obudowie o wadze 11 ton. System optyki aktywnej VLT zapewnia, że te wielkie zwierciadła zawsze mają optymalny kształt i zawsze dostarczają najlepsze obrazy Wszechświata.

System optyki aktywnej VLT.
Rys.: ESO

Prestiżową nagrodę Kavli Prize in Astrophysics w roku 2010 otrzymali Jerry Nelson, Raymond Wilson i Roger Angel za swój wkład w rozwój olbrzymich telesopów. Fot.: ESO. Bacon

Obecnie technika optyki aktywnej  musi stawić czoła nowemu wyzwaniu przy 39-metrowym zwierciadle głównym planowanym dla Ekstremalnie Wielkiego Teleskopu (ELT). Lustro główne ELT będzie składać się z 798 pojedynczych elementów. Każdy segment może być poruszany przez tłoki i mechanizmy pochylające, powodując, że cała mozaika będzie działać jak jedno gigantyczne zwierciadło, kompensując efekty wywołane fluktuacjami temperatury i grawitacją.

Obejrzyj film wideo o optyce aktywnej: Seeing Sharp — Special 50th anniversary episode #3.

Naukowe odkrycia

Systemy optyki aktywnej zainstalowane na kilku teleskopach ESO pomogły w dokonaniu znaczących odkryć:

• Obserwacje VLT i Hubble;a pokazują, że procesy gwiazdotwórcze zanikają najpierw w centrach galaktyk eliptycznych
• Oglądanie gwiezdnej eksplozji w 3D
• Gwiazdy krążące wokół masywnego centrum Drogi Mlecznej zbliżyły się na 17 godzin świetlnych