Искусственные лазерные звезды настроят спектрографы наземных телескопов

Лазеры в космосе, Лазеры в науке Комментарии к записи Искусственные лазерные звезды настроят спектрографы наземных телескопов отключены

С помощью мощных лазеров можно не только зажигать опорные звезды и корректировать колебания плотности атмосферы, но и настраивать спектрографы наземных телескопов, утверждают ученые из Чили, Германии, США и Швейцарии. Для этого нужно измерить сдвиги частоты лазера, обусловленные комбинационным рассеянием на молекулах воздуха. Работоспособность идеи астрономы проверили на спектрографе ESPRESSO, установленном на телескопе VLT. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org. Если посмотреть на небо, можно заметить, что звезды мерцают, то есть их яркость случайным образом изменяется. Такое «подмигивание» выглядит романтично, однако осложняет астрономические наблюдения и сильно ограничивает их точность. Основная причина мерцания — это колебания плотности атмосферы. Чтобы скорректировать эти колебания, наземные оптические телескопы обычно используют адаптивную оптику и опорные лазерные звезды. Проще говоря, с помощью мощного лазера ученые зажигают в верхних слоях атмосферы вспомогательную «звезду» с известными параметрами, «сканируют» турбулентности и настраивают телескоп (подробнее про этот метод наблюдений можно прочитать в наших материалах «Чтобы звезды не мерцали» и «Лазерные опорные звезды»).

В частности, такая система адаптивной оптики используется в самом большом оптическом телескопе Земли — Очень большом телескопе(Very Large telescope, VLT): она состоит из четырех 22-ваттных лазеров, которые «подсвечивают» атомы натрия, расположенные в мезосферена высоте около 90 километров. Это позволяет практически полностью исключить влияние атмосферы в инфракрасном диапазоне и получать фотографии, в четыре раза более четкие, чем фотографии, сделанные космическим телескопом «Хаббл».

Несколько лет назад группа астрономов под руководством Фредерика Вогта (Frédéric Vogt) заметила, что при создании лазерной опорной звезды должны возбуждаться не только атомы натрия, но и другие частицы, которые будут загрязнять полученное изображение. В самом деле, прежде чем достичь верхних слоев атмосферы, фотоны лазера проходят через толстый слой воздуха и теряют энергию за счет комбинационного (рамановского) рассеяния на его молекулах. Обычно этими процессами пренебрегают, потому что рассеянные фотоны попадают в видимый спектр, а большинство астрономических спектрографов работают в инфракрасном диапазоне. Тем не менее, спектрограф ESPRESSO, установленный на VLT и предназначенный для поиска обитаемых экзопланет, оптический диапазон захватывает.

Теперь та же группа исследователей с помощью ESPRESSO точно измерила положение спектральных линий, отвечающих комбинационному рассеянию на молекулах воздуха, и предложила использовать этот процесс для калибровки спектрографа. Данные ученые собирали в течение 15 минут ночью второго февраля 2018 года. В отличие от стандартных наблюдений, однако, опорная звезда была создана на высоте около 15 километров, поэтому ученым пришлось скорректировать фокус зеркала телескопа.

В результате исследователи разглядели ряд спектральных линий, которые отвечали различным возбуждениям молекул воздуха; длина волны линий отличалась от основной длины волны лазера не более чем на 70 ангстрем. Во-первых, ученые увидели возбуждение вращательных степеней свободы молекул 16O2 и 14N2 и 14N15N вплоть до значений вращательного квантового числа (J = 27, J = 24 и J = 9, соответственно). Чтобы сопоставить спектральные линии смешанной молекуле азота, состоящей из изотопов с разной атомной массой, ученые смоделировали процесс рассеяния с помощью метода Монте-Карло на основе марковских цепей. Во-вторых, астрономы зарегистрировали ряд линий тонкой структуры молекулы 16O2, которые связаны с взаимодействием спина молекулы и ее вращательного углового момента. В-третьих, исследователи нашли несколько переходов молекул кислорода и азота между энергетическими уровнями с одинаковым значением вращательного квантового числа, но разной амплитудой колебаний (так называемая Q-ветвь, Q-branch).

Спектр линий, отвечающих переходам между разными вращательными (сверху) и колебательными (снизу) уровнями. Кислород отмечен оранжевым, азот — синим Frederic Vogt et al. / Physical Review Letters, 2019

По словам ученых, найденные спектральные линии вполне можно использовать для калибровки спектрографов. Например, сдвиг длины фотонов, рассеявшихся на молекуле кислорода, известен с погрешностью около пяти фемтометров, а длина волны лазера, который зажигает опорные звезды, — с погрешностью около 11 фемтометров, тогда как требуемая погрешность измерений ESPRESSO не должна превышать 20 фемтометров. Поэтому авторы статьи считают, что в будущем спектрографы телескопов будут настраивать именно таким способом.

Благодаря своей хорошей разрешающей способности телескоп VLT часто открывает что-нибудь интересное. Например, в ноябре 2017 года телескоп увидел самые далекие и тусклые галактики в истории, в августе прошлого года рассмотрел структуру группы NGC 5018 и признаки взаимодействия ее галактик, а в октябре обнаружилдревнейшее прото-сверхскопление из 5000 галактик и пронаблюдалза движением газа вблизи сверхмассивной черной дыры в центре Млечного пути. Уже в этом году VLT впервые пронаблюдалв оптическом диапазоне за джетом от молодой звезды в другой галактике и сфотографировал двойной астероид 1999 KW4, который недавно пролетел около Земли со скоростью более 70 тысяч километров в час.

Дмитрий Трунин

Источник: https://nplus1.ru/news/2019/08/07/laser-stars

Рекомендуем для Вас


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top