Znanstveni blog: Tehnologija, ki nam približa vesolje in ... oko

Kako izjemne rešitve v največjih observatorijih pomagajo tudi pri raziskovanju slabega vida.

sre, 29.11.2017, 15:00

Ob pogledu na jasno večerno nebo opazimo, da svetle zvezde migetajo. Krivec za mežikanje je Zemljina atmosfera, učinek pa je še bolj izrazit pri opazovanju s teleskopom, saj povzroča hitre deformacije in tresenje slike. Na prvi pogled se zdi, da problem zadeva le astronome, toda izkazalo se je, da tehnološka rešitev, ki jo uporabljajo največji observatoriji, prinaša bistvene izboljšave tudi pri slikanju očesne mrežnice.

Spodnje plasti Zemljine atmosfere so turbulentne, saj so tam vremenski vplivi največji. Zaradi spreminjanja temperature sosednjih žepov zraka in njihovega mešanja v vetru se lomni količnik hitro spreminja. Pri opazovanju neba s prostim očesom vpliv nemirne atmosfere opazimo kot migetanje svetlejših zvezd. Prava razsežnost pojava, ki ga v astronomiji imenujemo razmazanost (angl. seeing), pa se pokaže med opazovanjem skozi teleskop. Povzroči hitre lokalne deformacije slike, migetanje in ples slike okoli osrednje lege.

Del Luninega površja, kot ga vidimo v primeru slabih atmosferskih pogojev, ko je razmazanost velika, si lahko ogledate tukaj.

Pri ogledu zgornjega videa, ki prikazuje sliko dveh kraterjev na Luni ob veliki razmazanosti, nam možgani pomagajo pri ustvarjanju ostrejše in bolje statične slike v naših mislih. Ker so zvezde, galaksije in drugi objekti mnogo, mnogo temnejši, na takih videih z dvajset ali več posnetki na sekundo niso vidni. Pomagamo si tako, da ustrezno podaljšamo čas zajemanja slike in s tem zberemo več fotonov. Hkrati daljši ekspozicijski čas pomeni, da zajamemo celoten ples slike, in zato je ta na končnem posnetku razmazana. Problem ni le estetski, ampak predvsem zmanjša znanstveno uporabnost slike, saj so podrobnosti zabrisane.

Stopnja razmazanosti je odvisna od trenutnih vremenskih pogojev in se spreminja iz dneva v dan, ob bolj nemirni atmosferi pa lahko bistvene spremembe nastanejo že v nekaj minutah. Ker je stalno prisotna in kljub vrhunski optični opremi najbolj vpliva na kvaliteto posnetka, je najboljša rešitev izstrelitev observatorija v vesolje. Hubblov vesoljski teleskop, ki je z 2,4-metrskim zrcalom majhen v primerjavi z desetmetrskimi zemeljskimi teleskopi, ravno zaradi lege nad atmosfero vidi mnogo bolje. Razloči lahko zvezde, ki so med seboj oddaljene le 0,05 ločne sekunde. Če bi bil postavljen na Zemlji, bi na svojih slikah lahko razločil le zvezde, ki so med seboj vsaj dvajsetkrat bolj vsaksebi. Po drugi strani pa imajo vesoljski teleskopi veliko težavo druge vrste, so namreč izjemno dragi. Astronomi se zato poslužujejo tehnologije, ki umetno zmanjša vpliv turbulentne atmosfere na končno sliko. Imenuje se adaptivna optika.

Adaptivna optika

Osnovna ideja adaptivne optike je sprotno prilagajanje oblike zrcala teleskopa tako, da se atmosferska deformacija slike izniči. Oblika se spreminja lokalno tako, da površina ni več ravna, ampak ima posamezne lokalne izboklinice.

Popravki se izračunajo s pomočjo referenčne zvezde v bližini opazovanega objekta, ki je dovolj svetla, da jo lahko posnamemo večkrat na sekundo. Sistem, ki ga uporablja Zelo velik teleskop (Very Large Telescope - VLT), popravke izračuna večtisočkrat na sekundo. Ker so tako svetle zvezde po nebu posejane relativno redko, od lanskega leta dalje na VLT za meritve uporabljajo laserske zvezde.

Ko s štirimi močnimi laserskimi žarki posvetijo v nebo, v zgornjih plasteh atmosfere vzbujajo atome natrija in tako ustvarijo umetne zvezde. Del svetlobe umetnih zvezd se izseva nazaj proti Zemlji in na svoji poti do teleskopa prečka iste turbulentne plasti kot fotoni oddaljene zvezde. Med samim opazovanjem astronomskega objekta, ki traja daljši čas, se tako sproti računajo popravki in zmanjšujejo vplive razmazanosti.

Ker je primarno zrcalo ogromno in težko, je adaptivni sistem nameščen na sekundarno zrcalo teleskopa, ki je manjše in lažje. Na zgornji sliki je prikazano metrsko zrcalo, ki je debelo dva milimetra, da se njegova površina lahko lažje deformira. Pod njim so nameščeni med seboj neodvisni aktuatorji, lahko tudi več tisoč, ki lokalno prilagajajo obliko zrcala.

Uporaba adaptivne optike je v astronomske meritve prinesla bistvene izboljšave. Spodnji primer prikazuje sliko Galaktičnega centra z zvezdami, ki krožijo okoli supermasivne črne luknje. Za mnoge najbolj vznemirljivo pa je direktno slikanje eksoplanetov, ki je še dodaten izziv, saj se nahajajo zelo blizu svojih sonc. Na spodnjem gifu lahko vidimo primerjavo Galaktičnega centra s supermasivno črno luknjo brez adaptivne optike in z njo.


Primerjava slik Galaktičnega centra s supermasivno črno luknjo brez in z adaptivno optiko. Avtorji: UCLA Galactic Center Group/W. M. Keck Observatory Laser Team.

Od astronomije do medicine

Pogosto se izkaže, da je metoda, razvita za reševanje nekega problema, uporabna na povsem drugem področju. Adaptivno optiko je sprva razvila ameriška vojska za sledenje satelitom, po odstranitvi tajnih oznak pa so njeno uporabno vrednost prepoznali tudi v medicini.

Posebej izstopajoče so raziskave pri slikanju oči. Ko z laserjem posvetimo v oko, se del svetlobe odbije od mrežnice nazaj. Pri tem prehaja skozi očesno lečo in roženico nemirnega pacienta. Končna slika je zato nekoliko deformirana, podobno kot slika zvezde po prehodu skozi atmosfero Zemlje. Šele z uporabo adaptivne optike v mrežnici lahko zaznamo posamezne celice, ki so zelo majhne. Ne samo da sistem omogoča zaznavo čepkov, ampak so vidne tudi posamezne paličice, ki so manjše in o katerih so raziskovalci sprva mislili, da jih nikoli ne bodo videli. Tako lahko zdravniki zaznajo številne bolezni paličic, še preden pacient opazi težave, predvsem pa še preden težave privedejo do trajne okvare vida. Bistveno pri novorazvitih instrumentih je dejstvo, da se raziskave lahko izvajajo na pacientih, in ne šele na izrezanem tkivu tistih, ki so že izgubili vid.


Očesna mrežnica, levo brez, desno z uporabo adaptivne optike. Foto: Beetham Eye Institute

Tako kot številna druga področja bazičnih raziskav tudi astronomija posredno, a pomembno prispeva k napredku tehnologij, ki izboljšujejo vsakdanje življenje. Brezžični internet je bil na primer samo stranski produkt pri opazovanju z radijskimi teleskopi. Na letališčih za rentgenski pregled prtljage uporabljajo tehnologijo, ki je bila razvita za vesoljski rentgenski teleskop, droge in eksplozivna sredstva pa iščejo z napravo, podobno tisti, ki so jo poslali na Mars. Primerov je veliko, verjetno najbolj znan je Einsteinova teorija splošne relativnosti, ki na prvi pogled ponovno nima zveze z vsakdanjim življenjem, vendar globalni navigacijski sistem GPS brez nje ne bi deloval.

Prijavi sovražni govor