Een baanbrekend nieuw optisch apparaat, ontwikkeld bij NJIT's Big Bear Solar Observatory (BBSO) om beelden van de zon te corrigeren die vervormd zijn door meerdere lagen atmosferische turbulentie, biedt wetenschappers de meest nauwkeurig gedetailleerde, real-time foto's tot nu toe van zonneactiviteit die plaatsvindt over uitgestrekte delen van het oppervlak van de ster.

De 1,6-meter New Solar Telescope van het observatorium kan nu gelijktijdige beelden produceren, bijvoorbeeld, van enorme explosies zoals zonnevlammen en coronale massa-ejecties die ongeveer tegelijkertijd plaatsvinden over grote structuren zoals een 20, 000 mijl brede zonnevlek in de fotosfeer van de zon.

"Om de fundamentele dynamiek van de zon te begrijpen, zoals het ontstaan ​​van zonnestormen, we moeten gegevens verzamelen vanuit een zo breed mogelijk gezichtsveld, " zegt Philip Goode, vooraanstaand onderzoekshoogleraar natuurkunde aan het NJIT en de leider van een internationaal team van onderzoekers gefinancierd door de National Science Foundation (NSF) om dit optische systeem van de volgende generatie te ontwikkelen.

"Tijdens grote fakkels, bijvoorbeeld, magnetische veldveranderingen lijken op veel verschillende plaatsen bijna gelijktijdig op te treden, "legt hij uit. "Alleen door het uitgebreide scala aan uitbarstingen in één keer te zien, kunnen we de grootte nauwkeurig meten, sterkte en volgorde van deze magnetische gebeurtenissen en analyseer ook de krachten die de magnetische velden van de ster voortstuwen om om elkaar heen te draaien totdat ze exploderen, enorme hoeveelheden straling en deeltjes uitspuwen die, wanneer naar de aarde gericht, kan verstorend ruimteweer veroorzaken."

Het multi-conjugate adaptive optics (MCAO)-apparaat bevindt zich stroomafwaarts van de opening van de BBSO-telescoop, momenteel 's werelds hoogste resolutie zonnetelescoop. Het systeem bestaat uit drie spiegels die van vorm veranderen om het pad van de binnenkomende lichtgolven te corrigeren, geleid door een computer die is aangesloten op ultrasnelle camera's die meer dan 2, 000 frames per seconde om aberraties in het golfpad te meten. Het systeem wordt multi-conjugaat genoemd omdat elk van de drie spiegels licht opvangt van een andere hoogte - dichtbij de grond en op ongeveer vijf en tien mijl hoog - en de drie gecorrigeerde beelden samen een vervormingsvrij beeld produceren dat de effecten van turbulentie elimineert tot ongeveer zeven mijl.

Het MCAO-systeem heeft de grootte van het gecorrigeerde gezichtsveld verdrievoudigd dat nu beschikbaar is met de huidige technologie, bekend als adaptieve optica, die gebruik maakt van een enkele vormveranderende, of vervormbaar, spiegelen om afbeeldingen te corrigeren. Een artikel waarin deze vooruitgang wordt getoond, is vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Astronomie en astrofysica .

"De winst van het gebruik van drie vervormbare spiegels in plaats van één is gemakkelijk zichtbaar. De beelden zijn scherp in een veel groter gebied, " zegt Dirk Schmidt, een postdoctoraal onderzoeker bij de National Solar Observatory (NSO), een projectwetenschapper voor het internationale MCAO-team, en eerste auteur van het artikel waarin het onderzoek wordt beschreven. "Na vele jaren van ontwikkeling, dit is een belangrijke mijlpaal voor de nieuwe, wide-field generatie van adaptieve optica voor zonne-energie."

Turbulente luchtstromen in verschillende lagen van de aardatmosfeer, van de grond tot aan de jetstream, het pad van het zonlicht sneller veranderen dan het menselijk oog kan compenseren, het vervagen van de beelden die zijn vastgelegd door conventionele telescopen, net zoals hete uitlaatgassen een waas op de rijbaan veroorzaken. De vervaging treedt op wanneer luchtmassa's bij verschillende temperaturen zich vermengen, de voortplanting van het licht vervormen en ervoor zorgen dat het een steeds veranderende, willekeurig pad van het verre object, aankomen bij de waarnemer met een gerandomiseerde invalshoek. Diezelfde atmosferische turbulentie veroorzaakt het fonkelen van sterren.

Het MCAO-team, waaronder onderzoekers van het NJIT, NSO en het Kiepenheuer Instituut voor Zonnefysica in Duitsland, werkt al meer dan een decennium samen aan de volgende generatie adaptieve optica om deze vervormingen te corrigeren. De onderzoekers slaagden erin het gezichtsveld aanzienlijk te verbreden na enkele jaren van afwisselend laboratoriumexperimenten - met een kunstmatige lichtbron die functioneert als de zon en die lichtgolven uitzond die doelbewust werden vervormd door de hitte die van hete platen kwam - met "on-sky" -tests uitgevoerd in realtime in het optische pad van de BBSO.

"Door de jaren heen we hadden de spiegels tientallen keren opnieuw geconfigureerd, wachten op dat 'Wauw!' moment, " herinnert Goode zich. "Eindelijk, eind vorig jaar juli, zagen we waar we lang naar hadden gezocht - een continue stroom van scherpe, breedveld gecorrigeerd, maar in wezen identieke beelden. Er was een verbijsterde stilte, gevolgd door applaus. Vervolgens hebben we de test verschillende keren herhaald door naar verschillende plaatsen op de zon te kijken om te bewijzen dat we daarin waren geslaagd. De laatste truc was het verkleinen van het veld om een ​​diepere correctie te krijgen bij elke spiegel, net zoals je een camera zou afstellen om scherp te stellen op het veld dichtbij en veraf."

De wetenschappelijke winst zal naar verwachting op meerdere niveaus liggen. een duidelijker, een uitgebreider beeld van zonneactiviteit zou aanvullende aanwijzingen moeten opleveren voor onderzoekers die mysterieuze dynamiek willen verklaren, zoals de manier waarop explosies op de zon magnetische explosies en straling produceren en deeltjes binnen enkele seconden versnellen tot bijna de lichtsnelheid. Hoe meer wetenschappers natuurkundige processen begrijpen die plaatsvinden op meer dan 90 miljoen mijl afstand, de betere beleidsmakers zullen zonnestormen kunnen voorspellen en voorbereiden met de wreedheid om communicatiesatellieten te verstoren, GPS-systemen uitschakelen, sluit vliegreizen en doof lichten, computers en telefoons in miljoenen huizen en bedrijven, merkt op Andrew Gerard, directeur van NJIT's Center for Solar-Terrestrial Research, die de BBSO en verschillende andere zonne-instrumenten over de hele wereld en in de ruimte bedient.

"Het corrigeren van meerdere lagen turbulentie in de atmosfeer is een technisch hoogstandje, " zegt Peter Kurczynski, directeur van het astronomische wetenschappenprogramma van het NSF dat het onderzoek financierde. "Deze studie demonstreert technologie die cruciaal is voor observatoria van de volgende generatie en het zal ons begrip van de zon verbeteren. Daarom ondersteunt NSF adaptief optica-onderzoek, omdat nieuwe technologieën wetenschappelijke ontdekkingen mogelijk maken."

Het MCAO-project dient ook als een kritische test van optische instrumenten die toekomstige zonnetelescopen nodig zullen hebben.

"De MCAO-resultaten van BBSO vormen echter een echte doorbraak, " merkt Thomas Rimmele op, wie is de projectdirecteur voor de komende 4-meter Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST) in Hawaii, een adjunct-directeur van de NSO en een medeonderzoeker in het MCAO-team. Hij voegt toe, "Het systeem biedt een essentieel experimenteel platform voor de ontwikkeling van adaptieve optica met een groot veld voor zonnewaarnemingen, en dient als de pathfinder voor adaptieve optische systemen op de DKIST, gepland voor reguliere operatie in 2020."