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.

1-metre telescope supports for the active optics experiment at the ESO headquarters in Garching in 1987
Wsporniki 1-metrowego teleskopu służące do testów optyki aktywnej w Centrali ESO ESO w Garching w 1987 r. Fot.: ESO
The New Technology Telescope (NTT) pioneered the Active Optics.
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.

VLT Active Optics System
System optyki aktywnej VLT.
Rys.: 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.
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: