Aktív optika

Új utat nyitó találmány

Valóban a méret a lényeg, de ugyanígy az alak is. Amikor nagyobb teljesítményű távcsövek készítéséről van szó, mindkettő fontos. A nagyobb átmérőjű főtükrökkel a csillagászok több fényt tudnak összegyűjteni, a tökéletes alakúra csiszolt tükörfelület pedig a kép torzulásának elkerülése miatt fontos; a kettő eredményes kombinációja esetén egészen halvány objektumok is megfigyelhetők. Ezt sajnos soha nem könnyű elérni, mivel a tökéletes tüköralak megőrzése egyre nehezebb, ha nagy átmérőjű tükörről van szó.

Ez a kihívás az 1960–1970-es években vált fontossá. Az akkori technológia nem tette lehetővé a csillagászok számára 5 méternél nagyobb átmérőjű tükörrel felszerelt távcső készítését. Ilyen tükörméret felett a képminőség rettenetesen leromlott, mert a tükör alakja a saját súlyától eltorzult. Az akkori idők műszaki színvonalán egy 5 méternél nagyobb átmérőjű tükör hatalmas tartószerkezetet igényelt volna, jelentősen megnövelve a készítési költségeket, és a megfizethetetlen szerkezet sem kecsegtetett élvezhető képminőséggel. Gyökeresen új módot kellett találni az optikai pontosság biztosítására.

Ekkor állt elő Raymond Wilson, az ESO mérnöke briliáns és „egyszerű” ötletével, amelynek neve aktív optika. A vékony és változtatható alakú főtükör alakját aktív támaszokkal megfelelő erőhatást kifejtve hátulról szabályozni lehet a tükör elfordulása során fellépő gravitációs eredetű alakváltozás kiküszöbölésére (bővebben lásd Claus Madsen Jewel on the Mountaintop című szabadon hozzáférhető könyvében).

Amikor az ESO 3,6 méteres távcsövét 1976-ban felavatták, az aktív optika még csak Wilson fejében létező ötlet volt. Ezért a főtükör fél méter vastag volt, és hihetetlennek hangzóan 11 tonnát nyomott.

Az új koncepciót az ESO központjában egy vékony, egyméteres tükörrel próbálták ki, amit 75 aktuátor tartott aktív módon. Az aktuátorok nagyon pontosan mozgó motorok, amelyeket precízen lehet szabályozni: a tükör megnyomásával módosítják annak alakját, kiküszöbölve a gravitáció által előidézett torzulást. Miközben a távcső mozog, ez az aktív rendszer gondoskodik a tükör helyes alakjának megőrzéséről. Az egyes aktuátorok által alkalmazandó korrekció mértékét számítógéppel valós időben határozzák meg egy képanalizáló segítségével, amely a tükör alakjának az ideálistól való legcsekélyebb eltérését is észreveszi. Az aktív optika kifejlesztése az ESO-n belül történt, és a sikeres próbálkozás után ez lett az Új Technológiájú Távcső (New Technology Telescope, NTT) fő jellegzetessége. Az aktív optikának köszönhetően az NTT 3,58 méter átmérőjű főtükre mindössze 24 cm vastag, és csupán 6 tonnás.

1-metre telescope supports for the active optics experiment at the ESO headquarters in Garching in 1987
Az 1 méteres teleszkóp tartói az aktív optika kísérleténél az ESO garchingi központjában 1987-ben. Forrás: ESO
The New Technology Telescope (NTT) pioneered the Active Optics.
Az Új Technológiájú Távcső (NTT), az aktív optika első képviselője.
Forrás: ESO/Madsen, Bacon

Az NTT üzembe helyezésének 1990-es kezdete óta minden nagy csillagászati távcsőben aktív optikát használnak, így az ESO Nagyon Nagy Távcsövében (Very Large Telescope (VLT) is. Wilson találmányát különféle díjakkal ismerték el, és az aktív optika a csillagászatban új korszak kezdetét jelentette. A VLT mind a négy távcsőegységébe a pillanatnyilag elérhető legjobb aktív optikát szerelték. A rendszer egyaránt szabályozza a 8,2 méter átmérőjű, Zerodur anyagú főtükröt és a távcsőmonstrum tetején levő 1,1 méteres, berilliumból készült könnyű segédtükröt. A berendezés szabályos időközönként kiadott jelei alapján a távcsőtükrök automatikusan a megfelelő alakot veszik fel.

Ennek a technológiának köszönhetően a négy távcsőegység mindegyikének főtükre csupán 17 centiméter vastagságú, noha egy-egy tükör átmérője 8,2 méter, súlya pedig 22 tonna – mintha gigantikus palacsinta lenne! Mindegyik tükör 150 számítógép-vezérlésű támaszon (az aktuátorokon) nyugszik, amelyek egy rendkívül merev, kb. 11 tonna súlyú szerkezetben vannak elhelyezve. A VLT aktív optikai rendszere biztosítja, hogy e nagyméretű tükrök felülete mindig optimális alakú legyen, és csúcsminőségű képet szolgáltasson az Univerzumról.

VLT Active Optics System
A VLT aktív optikai rendszere.
Forrás: 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.
A rangos Kavli-díjat 2010-ben az asztrofizika területén Jerry Nelson, Raymond Wilson és Roger Angel kapta az óriás teleszkópok kifejlesztése terén végzett tevékenységükért. Forrás: ESO, Bacon

Az aktív optika technikája jelenleg újabb nagy kihívással néz szembe: már tervezik a 39 méter átmérőjű főtükröt tartalmazó Extrém Nagy Távcsövet (Extremely Large Telescope, ELT). Az ELT főtükre 798 egyedi szegmensből áll. Minden egyes tükörszegmens mozgatható egy dugattyú és egy billentő mechanizmus segítségével, ezáltal a mozaiktükör egyetlen óriástükörként működik, amelynél ki vannak küszöbölve a hőmérséklet-ingadozások és a nehézségi erő hatásai.

Tekintse meg az aktív optikáról és még sok másról szóló ESOcast-ot ide kattintva: Éleslátás – különleges epizód az 50. évfordulóra #3.

Kiemelkedő tudományos eredmények

Az ESO több távcsövébe szerelt aktív optikai rendszerek a következő figyelemre méltó felfedezések elérését tették lehetővé: