A Terra tem um estranho “brilho de sódio” e os astrônomos o usam para fotografar estrelas
As correntes de ar em nossa atmosfera limitam o poder de resolução de telescópios gigantes, mas computadores e estrelas artificiais podem aguçar o desfoque.
Crédito : G. Hüdepohl / atacamaphoto.com / ISSO
- As correntes de ar em nossa atmosfera limitam o poder de resolução de enormes telescópios terrestres.
- Os lasers podem criar “estrelas guia” artificiais na camada de sódio do nosso planeta, cerca de 90 km acima da superfície da Terra.
- Os telescópios terrestres que usam 'óptica adaptativa' podem analisar a luz dessas 'estrelas guia', o que permite uma resolução quase ilimitada e belas imagens do cosmos.
A óptica adaptativa (AO) é necessária para telescópios gigantes na superfície da Terra. (Para uma breve introdução sobre o assunto, veja nosso artigo anterior .) Seus enormes espelhos curvos coletam uma grande quantidade de luz que é borrada pelo trânsito através da atmosfera. Telescópios de classe mundial de 300″ a 400″, como Keck, Subaru, Gran Telescopio Canarias, o Very Large Telescope e o futuro Great Magellan Telescope, todos usam AO. Esses sistemas analisam a imagem do telescópio em tempo real e distorcem ativamente seus espelhos para neutralizar seu desfoque.
O computador que controla esses sistemas precisa encontrar um ponto de referência que não esteja distorcido, com o qual comparar a imagem desfocada. Mas como? A resposta está no brilho e no brilho das estrelas que podemos ver a olho nu porque por trás de cada pontinho cintilante e ligeiramente embaçado está uma fonte de luz estacionária quase perfeita.
camada de sódio da Terra
Os astrônomos podem criar e medir uma “estrela guia” artificial brilhante com uma forma e posição precisamente conhecidas. Eles conseguem isso aproveitando o sódio naturalmente existente em nossa atmosfera superior. Esta fina camada é uma coisa fascinante por si só. o sódio é provável formado por 'ablação' de meteoros - em outras palavras, literalmente arrancado da superfície das rochas espaciais à medida que passam pela atmosfera da Terra. Há algum debate sobre os detalhes que o impulsionam. Independentemente disso, é observável lá. O fantasmagórico brilho laranja característico da camada de sódio pode ser visto em belas imagens tiradas da estação espacial internacional.
Os átomos de sódio emitem - e, portanto, também absorvem - luz em um comprimento de onda próximo a 589 nm (nanômetros), que percebemos como uma cor amarelo-laranja. Para criar uma estrela artificial, o telescópio emite um laser neste mesmo comprimento de onda no céu noturno. O feixe concentrado passa pela atmosfera quase transparente quase imperturbável até atingir a camada de sódio, centrada a cerca de 90 km (56 milhas) de altitude e aproximadamente 20 km (12 milhas) de espessura. Ele contém muitos átomos de sódio - alguns bilhões por metro cúbico - embora, mesmo nessa altura, eles representem apenas uma pequena fração do ar rarefeito.
Dentro da camada, os átomos de sódio absorvem periodicamente os fótons do laser ao longo do feixe e os reemitem em todas as direções como uma estrela. Isso cria um cilindro de luz brilhante na atmosfera superior. Do solo, olhando diretamente para a parte inferior do cilindro longo, mas muito fino, parece uma pequena estrela circular. (Como um longo cilindro na atmosfera parece uma linha quando visto de lado, a solução é montar o laser no centro do telescópio.)
Ótica adaptativa em ação
Enquanto a luz de uma estrela distante desce para o solo em linhas paralelas, os raios da estrela-guia artificial se espalham de forma ligeiramente cônica, de modo que a imagem da estrela-guia é limpa por ajustando o telescópio de uma maneira que contraria o alongamento cônico. A imagem resultante é quase estática — imutável no tempo — de modo que ajustes adicionais são pequenos. Depois que esse ajuste básico é feito, o sistema AO está pronto para entrar em operação e contrariar a turbulência atmosférica dinâmica - movendo-se com o tempo.
A camada de sódio é alta o suficiente para que a luz emitida pela estrela-guia passe por quase todos os átomos e moléculas da atmosfera. Bolsões, gradientes e ventos conduzem-no à aberração. A luz estelar artificial borrada coletada pelo espelho primário é refletida em um espelho secundário que é ativamente distorcido e dobrado pelo sistema AO.
Uma pequena parte da luz do espelho secundário é dividida e sua distorção é analisada por um computador em tempo real. O computador compara a imagem medida da estrela-guia com a forma ideal da estrela-guia e analisa a distorção aparente de acordo com a teoria modal ou zonal (também explicada em nosso história AO anterior ) a uma taxa de mais de 1.000 vezes por segundo (ou 1 kHz, expresso em unidades de frequência). O computador faz ajustes minuciosos de warping, na mesma taxa de ~1 kHz, para manter a forma da estrela guia perfeitamente correta. Isso desfoca a imagem do telescópio do céu perto da estrela guia.
Corrigindo a distorção com a estrela-guia de sódio atmosférico, os telescópios terrestres podem atingir uma resolução quase ilimitada. Superando as limitações da atmosfera, eles agora são limitados apenas pelo tamanho do espelho, com os problemas práticos de financiamento, construção e manutenção de espelhos incrivelmente grandes que são impossivelmente lisos. Desta forma – para comprimentos de onda de luz que atingem com eficiência a superfície da Terra e não são confundidos com fontes terrestres – telescópios terrestres com óptica adaptativa podem eliminar a necessidade de telescópios espaciais.
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