Integrálismező-egységek

Hogyan készítsünk 3D-s képet egy egész galaxisról egyetlen felvétellel?

Ha szeretnénk elkapni egy legyet, nagyon gyorsnak kell lennünk, mivel a legtöbb rovarhoz hasonlóan a legyek is 360°-os szögben képesek a körülöttük zajló mozgás érzékelésére. A titok nyitja az összetett szemük, amely nagy számú apró fotoreceptorból (ommatidium) épül fel. Ezek együttesen egyetlen, nagyon széles mozaikképet szolgáltatnak. A hangyák esetében az ommatidiumok száma a néhánytól ezerig terjed, a legyeknek és a méheknek néhány ezer van, míg a pillangók és a szitakötők esetében ez a szám néhány ezer és tízezer közötti. Minél nagyobb az ommatidiák száma, annál szélesebb a rovar látómezeje és annál élesebb a látása.

Hasonló elvek mentén, de teljesen más céllal a tudósok kifejlesztettek egy integrálismező-egységnek (integral field unit, IFU) nevezett műszert. Egy IFU-ban a látómező sok-sok cellára vagy szegmensre van osztva, ezek együttesen állítják elő a teljes képet. Az IFU-kat széles körben használják a földi távérzékelésben, az időjárás-előrejelzésben, valamint a természeti katasztrófák és a klímaváltozás monitorozásában.

Close-up of a fly, showing the composite eyes in detail
ClKözelkép egy légyről, amelyen részleteiben is jól látszik az összetett szem. A vízcseppek lencseként működnek, így az egyes cellák egyértelműen megkülönböztethetők. Mindegyik cella egy ommatidium felszíne. Az ilyen elrendezésű összetett szem (a testfelületükhöz képest) nagy vizuális érzékelőkkel ruházza fel a kicsiny élőlényeket, például a rovarokat, nagy látómezőt biztosítva számukra. Forrás: Alberto Ghizzi Panizza

A csillagászatban a kiterjedt objektumok, például ködök, galaxisok vagy sűrű csillag- és galaxishalmazok tanulmányozására használják az IFU-kat az ún. integrálismező-spektroszkópia módszerével. Ebben az eljárásban a cellákból vagy pixelekből érkező fényjelet egy spektrográfba vezetik, ami minden egyedi pixelhez előállít egy színképet. Az így kapott spektrumokat adatkockába rendezik (lásd 1. ábra), amely tartalmazza az egész 2D-s látómezőt, harmadik dimenzióként pedig a színképet, a szín vagy hullámhossz szerint felbontott fényt (lásd 2. ábra). A csillagászok az integrálismező-spektroszkópiából származó gazdag információhalmazt például a távoli galaxisokban található gáz mozgásának (lásd eso1437), vagy a látómezőbe eső galaxisok távolságának meghatározására (lásd eso1507) használhatják.

MUSE views the strange galaxy NGC 4650A
1. ábra Az NGC 4650A különleges galaxis a MUSE műszeren keresztül.
Forrás
: ESO/MUSE konzorcium/R. Bacon/L. Calçada
MUSE colour-coded image of NGC 4650A
2. ábra Az NGC 4650A színkódolt MUSE-képe.
Forrás: ESO/MUSE konzorcium/R. Bacon

A különböző típusú IFU-k különböző módszereket alkalmaznak a látómező felosztására. A csillagászatban a következő három terjedt el:

    1. Mikrolencse-sor (nagyon hasonló a rovarok összetett szeméhez).
    2. Üvegszálköteg, amely önmagában, vagy a mikrolencse-sorral együtt is használható (lásd 3. ábra).
    3. Képszeletelő (lásd 4. ábra).

      Az IFU ötlete először G. Courtesben merült fel 1982-ben. Gyakorlatban az első csillagászati megvalósítása a TIGER műszerben történt meg, amely 1987-ben kezdte meg működését a 3,6 méteres kanadai-francia távcsövön (Canada-France-Hawaii Telescope CFHT) a Mauna Kea-n, Hawaiiban. A TIGER műszer integrálismező egysége apró lencsékből állt össze.

      An illustration of how the IFUs function
      3. ábra Az IFU-k működésének illusztrációja.
      Forrás
      : ESO
      The Principle of Integral Field Spectroscopy (IFS)
      4. ábra Az integrálismező-spektroszkópia (Integral Field Spectroscopy, IFS) elve
      Forrás: ESO

      Az ESO-ban az első dedikált integrálismező-spektrográf a SINFONI volt, amely 2004-ben állt munkába aVLT-n. A SINFONI képszeletelővel dolgozik, ugyanolyan elven, mint a jóval újabb MUSE műszer, amelynek hatalmas IFU-ja van. A FLAMES multiobjektum-spektrográfnak két integrálismező-egysége van, míg a második generációs KMOS spektrográfnak 24 kis IFU-ja, mindegyik egy-egy mozgatható karba szerelve. A VIMOS műszernek is van egy meglehetősen széles, mikrolencséket és üvegszálköteget kombináló IFU-ja. A műszerek eltérő jellemzőkkel bírnak – más-más hullámhossz-tartományokban érzékenyek, eltérő a látómezejük és a spektrális felbontásuk –, így különböző típusú objektumok megfigyelésére, ezáltal más-más asztrofizikai problémák megválaszolására alkalmasak.

      Az integrálismező-spektrográfok az egyre nagyobb detektorokkal egyre kifinomultabbak lesznek, így a kozmosz még élesebb és mélyebb 3D-s képét tudják előállítani. A rovarok példájánál maradva, az IFU-k hangyákból szitakötőkké fejlődnek.

      Kiemelkedő tudományos eredmények

      • Lásd FLAMES kiemelkedő tudományos eredmények.
      • Lásd VIMOS kiemelkedő tudományos eredmények.
      • Lásd SINFONI kiemelkedő tudományos eredmények.
      • Lásd MUSE kiemelkedő tudományos eredmények.
      • Lásd KMOS kiemelkedő tudományos eredmények.

      További képek