Ny teknologi gir teleskopene supersyn

Siden oppfinnelsen av teleskopet for 400 år siden, har vår astronomiske viten gjort stadige framskritt i takt med forbedringer i observasjonsteknologien. Astronomer har alltid utnyttet det aller siste innen teknologi i sin søken etter å forstå universet. Nylig ble tre forskere hedret med Kavliprisen 2010 for sitt pionerarbeid innen teleskopdesign. Innsatsen deres gjorde det mulig å konstruere større speil og dessuten utnytte teleskopenes kjempeøyne enda bedre.

To faktorer er særlig viktige for studier av nattehimmelen: Den lyssamlende evnen, som avgjør hvor svake objekter vi kan se, og bildeskarpheten, eller rettere sagt vinkeloppløsningen, som bestemmer både hvor små og hvor svake objekter teleskopet kan avbilde. De første stjernekikkertene hadde linser, mens alle større teleskoper i dag anvender speil. Og jo større speil, desto bedre lyssamlende evne og skarphet.

Tidligere måtte store speil være ekstremt tykke for å unngå at de bøyde seg grunnet sin egen tyngde og endringer i temperatur. Omkring 1980 var astronomene kommet til en grense; speil over 6 meter i diameter var ikke brukbare i praksis. De var for tunge, kostbare og holdt ikke den optiske formen godt nok. En ny type speil måtte til.

Hovedspeilet til ESOs Very Large Telescope er 8,2 meter i diameter, men kun 17 cm tykt. Nøyaktigheten under slipingen er imponerende 8 milliontedels millimeter! Foto: ESO

Ny speilteknologi gir større teleskoper

Den prestisjefylte Kavliprisen i astrofysikk ble i 2010 tildelt tre forskere for deres pionerarbeid i 1970- og 1980-årene innen utvikling av store teleskoper. Selve prisutdelingen finner sted i Oslo Konserthus tirsdag 7. september.

James Angel fant ut at man kunne lage store speil mye tynnere ved å støpe dem i en roterende ovn, slik at de fikk en naturlig parabolsk form, med en bikakestruktur under som gav høy stivhet og lav vekt.

ESOs New Technology Telescope (3,6 m) var det første teleskopet med aktiv optikk. En rekke meget nøyaktige motorer holder oppe og justerer formen (ca. en gang per sekund) på det tynne og fleksible hovedspeilet. Foto: ESO

Jerry Nelson ledet utviklingen av segmenterte speil, der man i stedet for et kjempespeil heller lager mange små. Disse monterer man sammen i et rammeverk, der hvert delspeils posisjon og vinkel kan kontrolleres nøyaktig slik at alle virker sammen som én stor reflektor.

Den tredje prisvinneren, Raymond Wilson, var en pioner innen utviklingen av såkalt aktiv optikk. Ved European Southern Observatory (ESO) ledet han i 1980-årene byggingen av det første teleskop med et tynt og delvis fleksibelt hovedspeil som kunne endre form. En referansestjerne på himmelen ble overvåket av datamaskiner, som etter nøye beregninger endret speilets form omtrent en gang per minutt for å sikre en så optimal bildekvalitet som mulig. Aktiv optikk er i dag standard på alle mellomstore og store profesjonelle teleskoper.

Overnevnte teknologier var avgjørende for å i det hele tatt kunne konstruere de store 8- til 10-metersteleskopene vi har i dag. Men det måtte enda en ny teknikk til for å utnytte disse bakkebaserte kjempeøynene fullt ut. En teknikk som minner om aktiv optikk, men som jobber i et helt annet tempo.

Nei, dette er ikke en scene fra Stars Wars. En laserstråle rettes mot himmelen og hjelper adaptiv optikk-systemet på Very Large Telescope å lage superskarpe bilder. Foto: ESO/Yuri Beletsky.

Jordatmosfæren må overvinnes

Jordatmosfæren er astronomenes største fiende. Teleskoper på bakken lider under den forstyrrende, slørende effekten Jordas turbulente atmosfære har på bildene av himmelobjektene. Turbulensen skyldes at luftlag med ulik temperatur bryter lyset forskjellig. Dette får stjernene til å blinke og «hoppe» litt fram og tilbake under høy forstørrelse. Selv på de beste observasjonsstedene på Jorda kan ikke profesjonelle observatorier i synlig lys oppnå bedre bildeskarphet enn det man ville fått med et 20–40 cm stort romteleskop (som altså er omgitt av vakuum)!

Prinsippskisse for adaptiv optikk (flere elementer er utelatt, deriblant bølgefrontsensoren). Ill.: Jan-Erik Ovaldsen

I 1990-årene utviklet man en teknologi kalt adaptiv optikk for å overkomme denne store ulempen og sørge for at speilene produserer bilder med tilnærmet maksimal teoretisk skarphet. Slike systemer monteres i strålegangen før kameraene (ikke på hovedspeilet) og benytter små, datastyrte, deformerbare speil som motvirker bildeforvrengningen som atmosfæreturbulensen er skyld i. De optiske korreksjonene utføres i sanntid mange hundre ganger per sekund og er beregnet ut fra bilder fra en såkalt bølgefrontsensor, som nøye overvåker lyset fra en referansestjerne. Denne stjernen må være tilstrekkelig lyssterk og befinne seg i nærheten av motivet man vil studere, ettersom luftturbulensen varierer fra posisjon til posisjon. Dette er ikke alltid enkelt å få til, så noen observatorier kan skinne en kraftig laserstråle opp på jordatmosfæren for å lage kunstige «stjerner» man kan analysere lyset fra (se bildet av Very Large Telescope over).

Large Binocular Telescope. Kun med et avansert adaptiv optikk-system i sekundærspeilet kan teleskopet utnytte de 8,4 meter store hovedspeilene maksimalt. Foto: LBT Corp.

Bedre enn Romteleskopet Hubble

Teknologien utvikles og forbedres fortsatt. Våren 2010 ble f.eks. et nytt adaptiv optikk-system installert på Large Binocular Telescope (LBT) i Arizona i USA. LBT består av to 8,4 meter store teleskoper plassert like ved hverandre på en og samme montering, nesten som en gigantisk håndkikkert. Det unike her er at korreksjonssystemet ikke befinner seg i kameradelen bak teleskopet, men i selve sekundærspeilet. (Nesten alle profesjonelle teleskoper har et stort hovedspeil og et mindre sekundærspeil, som kaster lyset tilbake gjennom et hull midt i hovedspeilet og inn til kameraene, se skissen til høyre).

Lysgangen i et moderne speilteleskop (såkalt Ritchey-Chrétien-design). Ill.: Jan-Erik Ovaldsen

LBTs sekundærspeil er 91 cm i diameter, men kun 1,6 mm tykt! 672 små, datastyrte magneter er limt direkte bakpå det bøyelige speilet for å justere formen. Korreksjonene av speilet gjøres tusen ganger per sekund med en nøyaktighet på 0,00001 mm! Resultatet er at oppløsningen er like god som om atmosfæren ikke fantes. Skarpheten er til sammenligning tre ganger bedre enn Romteleskopet Hubble, og dét bare ved å bruke et av de to tvillingteleskopene som LBT består av. Adaptiv optikk på bakkebaserte teleskoper er et godt og mye billigere alternativ enn kostbare og relativt små romteleskoper. (Romteleskoper er likevel nødvendige for å observere på bølgelengdene som jordatmosfæren blokkerer, f.eks. infrarødt lys og røntgenstråling.)

Bilde av tre stjerner tatt med LBT med adaptiv optikk-systemet deaktivert (venstre) og aktivert (høyre). Forbedringen er mildt sagt dramatisk. Foto: LBT Corp.

Framtidens ekstreme teleskoper

Neste generasjons kjempeteleskoper er allerede på designstadiet. Hovedspeilet til ESOs European Extremely Large Telescope vil eksempelvis bli utrolige 42 meter i diameter. Her vil en dra nytte av alle Kavliprisvinnernes innovasjoner, deriblant nesten tusen lette, segmenterte speil, aktiv optikk og adaptiv optikk, i tillegg til nye, gigantiske kameraer og detektorer. Den digitale revolusjon med CCD-kameraer og digital bildebehandling kom for astronomenes del for alvor på 1980-tallet, og har også bidratt til de enorme forbedringene observasjonsastronomien har gjennomgått de siste par tiårene. Men det er en annen historie …

En jumbojet ser ut som et småfly sammenliknet med det planlagte European Extremely Large Telescope. Ill.: ESO

Se også
– Program for Kavliprisen 2010
– Er astrobildene bare juks?

Artikkel er hentet fra Himmelkalenderen 2011, side 71–73. © Jan-Erik Ovaldsen