Aktiv optik

En uppfinning som ändrar spelreglerna

Storlek har verkligen betydelse, och det har även form. Båda är viktiga när det handlar om att bygga kraftfullare teleskop. Med hjälp av större primärspeglar kan astronomer fånga mer ljus, och en perfekt formad spegelyta behövs för att undvika förvrängda bilder. Genom att effektivt kombinera båda kan man observera allt ljussvagare källor. Detta har tyvärr aldrig varit lätt. Att behålla den perfekta formen blir allt svårare när speglar blir större. 

Utmaningen blev viktig under 1960- och 1970-talen. Med tekniken som då fanns tillgängligt kunde astronomer och ingenjörer inte bygga teleskop med primärspeglar på större än 5 meter i diameter. Större speglar kunde inte behålla sin form på grund av tyngdkraftens påfrestningar och bildkvaliteten blev mycket sämre. Med den tidens teknik skulle det ha behövts jättelika strukturer för att hålla speglarna uppe. Byggkostnaderna hade blivit högre för utan löfte om bättre synskärpa. Ett nytt sätt att försäkra den optiska kvaliteten behövdes. 

Det var då som ESO-ingenjören Raymond Wilson kom på den briljanta och ”enkla” idén om den aktiva optiken. En tunn, deformerbar spegel skulle styras av ett aktivt supportsystem som skulle med den nödvändiga kraften korrigera för tyngdkraftens påverkan på teleskopet medan dess riktning förändras (läs mer i gratisboken Jewel on the Mountaintop av Claus Madsen). 

När ESO:s 3,6-metersteleskop invigdes 1976 var den aktiva optiken ännu bara en idé i Wilsons huvud. Därför är teleskopets primärspegel en halvmeter tjock och väger otroliga 11 ton.

Det nya konceptet testades med en tunn enmetersspegel med en aktiv support av 75 aktuatorer vid ESO:s huvudkontor. Aktuatorerna är motorer som rör sig med hög tillförlitlighet och som kan styras med hög precision. Genom att trycka på spegeln rättar de dess form och kompenserar för tyngdkraftens förvrängningar. Allt eftersom teleskopet rör sig håller det aktiva systemet spegelns korrekta form. Aktuatorerna räknar korrigeringarna i realtid med hjälp av en dator med mjukvara för bildanalys som kan känna av till och med de minsta avstegen från den spegelns ideala form. Den aktiva optiken utvecklades internt på ESO och blev efter framgångsrika prov en central del av teleskopet NTT (New Technology Telescope). Tack vare dess aktiva optik är NTT:s primärspegel på 3,58 meter endast 24 centimeter tjock och väger 6 ton. 

1-metre telescope supports for the active optics experiment at the ESO headquarters in Garching in 1987
Stödbalkar för aktivoptikexperimentet på ESO:s högkvarter i Garching 1987.
Bild: ESO
The New Technology Telescope (NTT) pioneered the Active Optics.
New Technology Telescope (NTT) blev en pionjär för aktiv optik.
Foto: ESO/C. Madsen. Bacon

Sedan NTT driftsattes 1990 har aktiv optik tillämpats i alla stora teleskop, bland dem ESO:s Very Large Telescope (VLT). Wilson har fått ta emot ett flertal priser för sin uppfinning, som visade sig ha ändrat spelreglerna för astronomin. 

Vart och ett av enhetsteleskopen i VLT (unit telescopes, UT) utrustas med det bästa aktiva optiksystem som hittills byggts. Systemet styr både den 8,2-meters primärspegel, gjord av Zerodur, och de 1,1-meters sekundärspeglar av beryllium, längst upp på teleskopbygget. Teleskopets speglar justeras kontinuerligt enligt enhetens signaler.

Tack vare den här tekniken väger de fyra enhetsteleskopens speglar endast 22 ton trots att de är 8,2 meter tvärsöver men är bara 17 centimeter tjocka – med formen som en jättelik pannkaka.Varje spegel ligger på 150 datorstyrda stöd (aktuatorerna) inuti en oerhört rigitt skal som väger omkring 11 ton. VLT:s system för aktiv optik försäkrar att dessa stora speglar alltid har den bästa formen och alltid kan leverera de bästa möjliga bilderna av universum.

VLT:s system för aktiv optik
Bild: ESO
The New Technology Telescope (NTT) pioneered the Active Optics.
2010 tilldelades det prestigefyllda Kavlipriset i astrofysik Jerry Nelson, Raymond Wilson och Roger Angel för deras bidrag till utvecklingen av jätteteleskopen. Foto: ESO. Bacon


Nu står den aktiva optiken inför teknikens nästa stora utmaning: Extremely Large Telescope (ELT) och dess 39-meters primärspegel. ELT:s huvudspegel kommer att bestå av 798 enskilda segment. Vart och ett av dessa kan flyttas med hjälp av en pistong och en tip-tilt-mekanism som får denna mosaik att fungera som en enda jättelik spegel genom att kompensera för både temperaturförändringar och tyngdkraften.

Titta på vårt ESOcast om bland annat aktiv optik: Seeing Sharp — Special 50th anniversary episode #3.

Vetenskapliga höjdpunkter

Spännande upptäckter har kunnat göras med hjälp av systemen för aktiv optik som finns på flera ESO-teleskop.