Учёные с помощью лазеров создают в небе искусственные звёзды

Лазеры проникли практически во все сферы деятельности человека и дали толчок большому числу исследований и технологий. Астрономические наблюдения — одна из важных областей их применения. Современные телескопы оснащены адаптивной оптикой, но для её эффективной работы требуются опорные звёзды. При наблюдении большого участка неба вероятность найти подходящие объекты снижается, и тогда на помощь приходят лазеры.

 

 

 

Почему телескопы оснащают адаптивной оптикой?

 

Если вы хоть раз смотрели в чистое ночное небо, то наверняка видели, как звёзды мерцают. На самом деле их свет равномерный, а мерцание объясняется рассеянием в атмосфере.

Этот красивый эффект совсем не радует астрономов: искажение света от слабых или далёких объектов сильно мешает наблюдению. Чтобы исключить влияние атмосферы, телескопы выводят в космос. Но это сложно, дорого, а размер зеркал орбитальных телескопов ограничен.

Чтобы оптика улавливала как можно больше фотонов, необходимо увеличить её размеры, однако при современном развитии технологий построить телескопы с большими, вплоть до сотен метров в диаметре, зеркалами можно только на земле.

И тогда встаёт вопрос о методах борьбы с рассеянием света звёзд в атмосфере. На помощь приходит адаптивная оптика, настраиваемая по свечению яркого эталонного источника. В большинстве случаев для этого используются наиболее яркие небесные светила (NGS).

Опорная звезда должна обладать рядом параметров:

• Находиться от объекта наблюдения на расстоянии, не превышающем изопланатический угол;
• Обеспечивать требуемый для наблюдения поток фотонов.

Однако по мере удаления от Млечного пути (увеличения галактической широты) шанс найти естественную опорную звезду снижается, и в 70-е годы XX века было предложено использовать в качестве опорного искусственный источник излучения. В 1985 году идея была реализована. Так появились лазерные опорные звёзды (LGS).

 

 

Два вида лазерных искусственных звёзд

 

В настоящее время существует два вида лазерных искусственных звёзд:

• натриевые;
• рэлеевские.

Натриевые LGS получают, фокусируя лазерный луч с длиной волны 589 нм на высоте 90 км над землёй. В этой области находится слой натрия, полоса поглощения которого приходится как раз на это значение. В результате натрий начинает светиться, формируя яркий источник излучения, который используют в качестве опорного при юстировке адаптивной оптики зеркал.

Рэлеевские LGS формируют на более низких высотах: от 10 до 20 км. Для этих целей используют лазеры с длиной волны, близкой к ультрафиолетовой. Часть лазерного излучения рассеивается воздухом в обратном направлении и регистрируется в качестве опорного источника.

Однако искусственные опорные звёзды хоть и расширяют возможности наземных обсерваторий, но в полной мере компенсировать влияние атмосферы на наблюдения не могут.

В первую очередь это связано с тем, что для наблюдения слабых астрономических объектов необходимо улавливать как можно больше фотонов, что требует больших времён экспозиции. Это приводит к возникновению сильных аберраций наклона, которые приходится компенсировать с помощью естественных опорных звёзд.

Помимо этого, наблюдаемые объекты находятся на бесконечном удалении, в то время как искусственные опорные звёзды создают на конечной высоте. Это приводит к так называемому «эффекту конуса», когда волновые фронты от естественной и искусственной звёзд имеют разный масштаб. Возникающая ошибка обратно пропорциональна параметру d₀, характеризующему этот эффект.

Если принять изопланатический угол равным 2,5 секундам, то в случае натриевой звезды d₀ составит 4 м, рэлеевской — 1 м. Этот момент является основополагающим при выборе способа формирования LGS, и предпочтение отдаётся натриевым лазерным опорным звёздам.

Тем не менее, разработки в области совершенствования рэлеевских LGS продолжают вестись. На это есть две причины:

• лазеры для рэлеевских LGS дешевле и надёжнее;
• ультрафиолетовое излучение ближнего диапазона проходит сквозь нижние слои атмосферы, но не вредит оптике.

 

Заключение

 

Таким образом, учёные нашли способ увеличить покрытие неба при наблюдении слабых астрономических объектов. К сожалению, вместе с увеличением покрытия, эффективность оптики снижается из-за «эффекта конуса», а также из-за проблемы наклона — особенно при наблюдениях на коротких длинах волн.

Тем не менее, благодаря использованию адаптивной оптики удаётся получить более чёткие изображения космических объектов, что постепенно расширяет наши знания о Вселенной.