Koronagraph - Coronagraph
Ein Koronograph ist ein Teleskopaufsatz , der das direkte Licht eines Sterns ausblenden soll , damit nahegelegene Objekte, die sonst in der hellen Blendung des Sterns verborgen wären , aufgelöst werden können. Die meisten Koronagraphen sollen die Korona der Sonne anzeigen , aber eine neue Klasse von konzeptionell ähnlichen Instrumenten (sogenannte stellare Koronagraphen , um sie von Sonnenkoronagraphen zu unterscheiden ) werden verwendet, um extrasolare Planeten und zirkumstellare Scheiben um benachbarte Sterne sowie Wirtsgalaxien in zu finden Quasare und ähnliche Objekte mit aktiven galaktischen Kernen ( AGN ).
Erfindung
Der Koronagraph wurde 1931 vom französischen Astronomen Bernard Lyot eingeführt ; Seitdem werden an vielen Sonnenobservatorien Koronagraphen verwendet . Koronagraphen, die in der Erdatmosphäre arbeiten, leiden unter Streulicht am Himmel selbst, hauptsächlich aufgrund der Rayleigh-Streuung des Sonnenlichts in der oberen Atmosphäre. Bei Blickwinkeln nahe der Sonne ist der Himmel selbst in großen Höhen an klaren, trockenen Tagen viel heller als die Hintergrundkorona. Bodengestützte Koronographen, wie die High Altitude Observatory ‚s Mark IV Coronagraph oben auf Mauna Loa , Verwendung Polarisationshimmelshelligkeit von dem Bild des Korona zu unterscheiden: sowohl koronale Licht und Himmel Helligkeit verstreut Sonnenlicht und hat ähnliche spektrale Eigenschaften, aber die koronale Licht -Thomson gestreute bei nahezu einem rechten Winkel und daher erfährt Polarisations Verstreuen , während die überlagerte Licht vom Himmel in der Nähe der Sonne bei nur einem Glanzwinkel gestreut wird , und daher bleibt nahezu unpolarisiert.
Entwurf
Coronagraph-Instrumente sind extreme Beispiele für Streulichtunterdrückung und präzise Photometrie, da die Gesamthelligkeit der Sonnenkorona weniger als ein Millionstel der Helligkeit der Sonne beträgt. Die scheinbare Oberflächenhelligkeit ist noch geringer, da die Korona nicht nur insgesamt weniger Licht liefert, sondern auch eine viel größere scheinbare Größe als die Sonne selbst hat.
Während einer totalen Sonnenfinsternis fungiert der Mond als verdeckende Scheibe und jede Kamera im Sonnenfinsternispfad kann als Koronagraph betrieben werden, bis die Sonnenfinsternis vorbei ist. Häufiger ist eine Anordnung, bei der der Himmel auf eine mittlere Brennebene abgebildet wird, die einen undurchsichtigen Fleck enthält; diese Fokalebene wird auf einen Detektor neu abgebildet. Eine andere Anordnung besteht darin, den Himmel auf einen Spiegel mit einem kleinen Loch abzubilden: Das gewünschte Licht wird reflektiert und schließlich neu abgebildet, aber das unerwünschte Licht des Sterns geht durch das Loch und erreicht den Detektor nicht. In jedem Fall muss das Instrumentendesign Streuung und Beugung berücksichtigen , um sicherzustellen, dass so wenig unerwünschtes Licht wie möglich den endgültigen Detektor erreicht. Lyots wichtigste Erfindung war eine Anordnung von Linsen mit Blenden, bekannt als Lyot-Blenden , und Blenden , so dass durch Beugung gestreutes Licht auf die Blenden und Blenden fokussiert wurde, wo es absorbiert werden konnte, während das für ein nützliches Bild benötigte Licht sie verfehlte.
Beispielsweise bieten bildgebende Instrumente des Hubble-Weltraumteleskops koronagraphische Fähigkeiten.
Bandbegrenzter Koronagraph
Ein bandbegrenzter Koronagraph verwendet eine spezielle Art von Maske, die als bandbegrenzte Maske bezeichnet wird . Diese Maske wurde entwickelt, um Licht zu blockieren und auch Beugungseffekte zu bewältigen, die durch das Entfernen des Lichts verursacht werden. Der bandbegrenzte Koronagraph diente als Basisdesign für den abgebrochenen Terrestrial Planet Finder- Koronagraph. Bandbegrenzte Masken werden auch auf dem James Webb-Weltraumteleskop verfügbar sein .
Phasenmasken-Coronagraph
Ein Phasenmasken-Coronagraph (wie der sogenannte Vier-Quadranten-Phasenmasken-Coronagraph) verwendet eine transparente Maske, um die Phase des Sternlichts zu verschieben, um eine selbstzerstörerische Interferenz zu erzeugen, anstatt eine einfache undurchsichtige Scheibe zu blockieren es.
Optischer Wirbelkoronagraph
Ein optischer Wirbelkoronagraph verwendet eine Phasenmaske, bei der die Phasenverschiebung azimutal um das Zentrum herum variiert. Es gibt mehrere Arten von optischen Wirbelkoronagraphen:
- der skalare optische Wirbelkoronagraph basierend auf einer Phasenrampe, die direkt in ein dielektrisches Material wie Quarzglas geätzt wurde.
- Der vektor(ial) -Wirbelkoronagraph verwendet eine Maske, die den Polarisationswinkel von Photonen dreht, und das Ansteigen dieses Drehwinkels hat den gleichen Effekt wie das Ansteigen einer Phasenverschiebung. Eine solche Maske kann durch verschiedene Technologien synthetisiert werden, die von Flüssigkristallpolymer (gleiche Technologie wie beim 3D-Fernsehen ) bis hin zu mikrostrukturierten Oberflächen (unter Verwendung von Mikrofertigungstechnologien aus der Mikroelektronikindustrie ) reichen . Ein solcher Vektorwirbelkoronagraph aus Flüssigkristallpolymeren wird derzeit am 200-Zoll- Hale-Teleskop des Palomar-Observatoriums eingesetzt . Es wurde kürzlich mit adaptiver Optik betrieben, um extrasolare Planeten abzubilden .
Dies funktioniert bei anderen Sternen als der Sonne, weil sie so weit entfernt sind, dass ihr Licht zu diesem Zweck eine räumlich kohärente ebene Welle ist. Der Koronagraph, der Interferenz verwendet, blendet das Licht entlang der Mittelachse des Teleskops aus, lässt jedoch das Licht von Objekten außerhalb der Achse durch.
Satellitengestützte Koronagraphen
Koronagraphen im Weltraum sind viel effektiver als die gleichen Instrumente, wenn sie auf dem Boden platziert würden. Dies liegt daran, dass das völlige Fehlen von atmosphärischer Streuung die größte Blendungsquelle in einem terrestrischen Koronographen eliminiert. Mehrere Weltraummissionen wie NASA - ESA ‚s SOHO und die NASA SPARTAN, Solar Maximum Mission und Skylab haben Koronographen verwendet , um die äußeren Bereiche der Sonnenkorona zu studieren. Das Hubble - Weltraumteleskop (HST) ist in der Lage coronagraphy mit dem auszuführen Nah - Infrarot - Kamera und Multi-Object Spectrometer (NICMOS), und es gibt Pläne , diese Fähigkeit auf dem haben James Webb Weltraumteleskop (JWST) seine Nah - Infrarot - Kamera ( NIRCam ) und Mittel-Infrarot-Instrument (MIRI).
Während weltraumgestützte Koronagraphen wie LASCO das Problem der Himmelshelligkeit vermeiden, stehen sie angesichts der strengen Größen- und Gewichtsanforderungen der Raumfahrt vor Designherausforderungen beim Streulichtmanagement. Jede scharfe Kante (wie die Kante einer verdeckenden Scheibe oder einer optischen Öffnung) verursacht eine Fresnel-Beugung des einfallenden Lichts um die Kante herum, was bedeutet, dass die kleineren Instrumente, die man auf einem Satelliten haben möchte, unvermeidlich mehr Licht abgeben als größere. Der LASCO C-3 Koronograph verwendet sowohl einen externen Okkulter (der Schatten auf das Instrument wirft) als auch einen internen Okkulter (der Streulicht blockiert, das Fresnel-gebeugt um den äußeren Okkulter herum auftritt), um diese Leckage zu reduzieren, und ein kompliziertes System von Leitblechen, um Eliminieren Sie Streulicht, das von den Innenflächen des Instruments selbst gestreut wird.
Extrasolare Planeten
Der Koronagraph wurde kürzlich an die anspruchsvolle Aufgabe angepasst, Planeten um nahe Sterne herum zu finden. Während Stern- und Sonnenkoronagraphen im Konzept ähnlich sind, unterscheiden sie sich in der Praxis erheblich, da sich das zu verdeckende Objekt in der linearen scheinbaren Größe um einen Faktor von einer Million unterscheidet. (Die Sonne hat eine scheinbare Größe von etwa 1900 Bogensekunden , während ein typischer naher Stern eine scheinbare Größe von 0,0005 und 0,002 Bogensekunden haben könnte.) Die erdähnliche Exoplanetenerkennung erfordert 10 − 10 Kontrast. Um einen solchen Kontrast zu erzielen, ist eine extreme optothermische Stabilität erforderlich .
Für den Flug auf der abgesagten Mission Terrestrial Planet Finder wurde ein stellares Koronographenkonzept untersucht . An bodengestützten Teleskopen kann ein stellarer Koronograph mit adaptiver Optik kombiniert werden , um nach Planeten in der Nähe von Sternen zu suchen.
Im November 2008 gab die NASA bekannt, dass ein Planet direkt beobachtet wurde, der den nahen Stern Fomalhaut umkreist . Der Planet war auf Bildern, die 2004 und 2006 mit dem Koronographen von Hubbles Advanced Camera for Surveys aufgenommen wurden, deutlich zu sehen. Der dunkle Bereich, der von der Koronographenmaske verdeckt wird, ist auf den Bildern zu sehen, obwohl ein heller Punkt hinzugefügt wurde, um zu zeigen, wo der Stern wäre gewesen sein.
Bis zum Jahr 2010 Teleskope konnten nur direkt Bild Exoplaneten unter außergewöhnlichen Umständen. Insbesondere ist es einfacher, Bilder zu erhalten, wenn der Planet besonders groß ist (erheblich größer als Jupiter ), weit von seinem Mutterstern entfernt und heiß ist, so dass er intensive Infrarotstrahlung aussendet. Doch ein Team von 2010 NASAs Jet Propulsion Laboratory gezeigt , dass ein Vektor Wirbel Koronographen kleine Teleskope direkt Bild Planeten ermöglichen könnte. Sie taten dies, indem sie die zuvor aufgenommenen HR 8799- Planeten mit nur einer1,5 m Teil des Hale-Teleskops .
Siehe auch
- Liste der Sonnenteleskope
- Neue Welten-Mission – Ein vorgeschlagener externer Koronagraph
Verweise
Externe Links
- Überblick über Technologien zur direkten optischen Abbildung von Exoplaneten , Marie Levine, Rémi Sommer, 2009
- "Sonnenbeobachter-Teleskop." Popular Mechanics , Februar 1952, S. 140–141. Schnittzeichnung des ersten Coronagraph-Typs, der 1952 verwendet wurde.
- Optische vektorielle Vortex-Coronagraphen mit Flüssigkristallpolymeren: Theorie, Herstellung und Labordemonstration Optik-Infobase
- Der Vector Vortex Coronagraph: Laborergebnisse und erstes Licht am Palomar-Observatorium IopScience
- Ringnut- Phasenmaske Coronagraph IopScience
- Dieser Link zeigt ein HST-Bild einer Staubscheibe, die einen hellen Stern umgibt, wobei der Stern vom Koronographen verdeckt wird. [1]