Στοχαστικό Αυτόματο Σύστημα Ελέγχου και Διόρθωσης των Οπτικών Ατμοσφαιρικών Παραμορφώσεων

Συνοπτική περιγραφή του έργου

        Η ατμόσφαιρα της γης δρα λόγω των τυρβωδών φαινομένων ως ένα ατελές οπτικό σύστημα με αποτέλεσμα η διακριτική ικανότητα ενός τηλεσκοπίου 10 m να μην είναι καλύτερη εκείνης ενός τηλεσκοπίου 30 cm. Αυτό περιορίζει σε πολύ μεγάλο βαθμό την αστροφυσική έρευνα. Τεχνολογικά η άρση των οπτικών ατμοσφαιρικών παραμορφώσεων είναι σήμερα εφικτή μέσω συστημάτων προσαρμοστικής οπτικής (Adaptive Optics AO).

        Το παρόν έργο έχει ως στόχο την ανάπτυξη και δοκιμή σε πραγματικές συνθήκες μιας νέας μεθόδου προσαρμοστικής οπτικής η οποία με χρήση αλγορίθμων βελτιστοποίησης αντικαθιστά τον υψηλού κόστους ανιχνευτή κυματομορφών με μία απλή διάταξη μέτρησης της συγκέντρωσης της φωτεινότητας του αστρικού ειδώλου στο εστιακό επίπεδο του οπτικού συστήματος. Η μέθοδος αυτή πλεονεκτεί σε σχέση με άλλες λύσεις από άποψη κόστους και τεχνικής απλότητας.

       Η μέθοδος θα δοκιμαστεί στη πράξη στο Αστεροσκοπείο Σκίνακα το οποίο διαθέτει την απαραίτητη τεχνολογική υποδομή.

Αντικείμενο Έρευνας-Στόχοι του Εργου

          Για την πλήρη αξιοποίηση των ερευνητικών δυνατοτήτων την μεγάλων σύγχρονων τηλεσκοπίων, απαιτείται η μέγιστη δυνατή εξάλειψη της αρνητικής επίδρασης της γήινης ατμόσφαιρας στα αστρονομικά είδωλα. Η γήινη  ατμόσφαιρα δρα, λόγω τυρβωδών φαινομένων, ως ένα παρεμβαλλόμενο, ατελές οπτικό σύστημα με συνέπεια η δέσμη παράλληλου φωτός ενός άστρου να έχει αποκλίνει από την παραλληλότητα όταν αυτή εισέρχεται στο τηλεσκόπιο. Ως αποτέλεσμα το άστρο δεν απεικονίζεται πλέον στο δέκτη ως (σχεδόν) σημείο αλλά ως εκτεταμένη κηλίδα. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται ατμοσφαιρικό Seeing.

        Το θεωρητικό όριο της διακριτικής ικανότητας ενός τηλεσκοπίου, το οποίο καθορίζεται από το φαινόμενο της περίθλασης στο κυρίως κάτοπτρο (ή φακό), δίδεται ως α=1.22λ/D όπου λ είναι το μήκος κύματος του φωτός και D η διάμετρος του κυρίως κατόπτρου. Όμως, λόγω του ατμοσφαιρικού Seeing, όχι μόνο η διακριτική ικανότητα του οποιουδήποτε τηλεσκοπίου (με D>30 cm) δεν αξιοποιείται, αλλά μειώνεται και η ανιχνευτική του ικανότητα αφού το φως έστω και μεμονωμένων άστρων εξαπλώνεται σε μεγαλύτερη επιφάνεια του δέκτη.

          Τεχνολογικά, η άρση των οπτικών ατμοσφαιρικών παραμορφώσεων είναι σήμερα εφικτή μέσω συστημάτων προσαρμοστικής οπτικής (Adaptive Optics - AO). Συστήματα προσαρμοστικής οπτικής έχουν αρχίσει μόλις τα τελευταία χρόνια να αναπτύσσονται και να χρησιμοποιούνται στα μεγαλύτερα Αστεροσκοπεία του κόσμου. Η βασική διάταξη ενός συστήματος Adaptive Optics έγκειται στην επαναλαμβανόμενη μέτρηση της παραμορφωμένης κυματομορφής και στη συνεχή σε πραγματικό χρόνο διόρθωσή της μέσω άρσης της παραμόρφωσης (με χρήση παλλόμενου ή/και παραμορφωμένου κατόπτρου που παρεμβάλλεται στον οπτικό δρόμο). Σαν αποτέλεσμα, το είδωλο ενός άστρου στο εστιακό επίπεδο αποκτά πολύ μικρότερες διαστάσεις που πλησιάζουν το θεωρητικό όριο διακριτικής ικανότητας του τηλεσκοπίου.

          Το παρόν έργο έχει ως στόχο την ανάπτυξη και δοκιμή σε πραγματικές συνθήκες μιας νέας μεθόδου προσαρμοστικής οπτικής η οποία με χρήση αλγορίθμων βελτιστοποίησης αντικαθιστά τον υψηλού κόστους ανιχνευτή κυματομορφών με μία απλή διάταξη μέτρησης της συγκέντρωσης της φωτεινότητας του αστρικού ειδώλου στο εστιακό επίπεδο του οπτικού συστήματος. Η μέθοδος αυτή πλεονεκτεί σε σχέση με άλλες λύσεις από άποψη κόστους και τεχνικής απλότητας. Η μέθοδος αυτή θα δοκιμαστεί στην πράξη στο Αστεροσκοπείο του Σκίνακα το οποίο διαθέτει την απαραίτητη τεχνολογική υποδομή.

        Το Αστεροσκοπείο Σκίνακα στην Κρήτη σε υψόμετρο 1750 m, 60 χλ απόσταση οδικώς από το Ηράκλειο είναι σήμερα το μεγαλύτερο και πλέον σύγχρονα εξοπλισμένο Αστεροσκοπείο της Ελλάδος. Δημιουργήθηκε και λειτουργεί στα πλαίσια της Ελληνογερμανικής Επιστημονικής και Τεχνολογικής συνεργασίας με εταίρους το Ίδρυμα Τεχνολογίας Έρευνας, το Πανεπιστήμιο Κρήτης και το Max Planck Institut fur Extraterrestrische Physik.

        Το κύριο τηλεσκόπιο στο Σκίνακα στο οποίο θα δοκιμασθεί το προτεινόμενο σύστημα είναι τύπου Ritchey Cretien με διάμετρο κατόπτρου 1.3 m και εστιακό λόγο F7.7.

        Τα αποτελέσματα του έργου μπορούν να αξιοποιηθούν άμεσα με την εφαρμογή τους στα τρέχοντα ή νέα προγράμματα ερευνών του Αστεροσκοπείου Σκίνακα ιδιαίτερα στις παρατηρήσεις αστρικών σμηνών. Αφού θα έχει διερευνηθεί η λειτουργικότητα του περιγραφόμενου στην παρούσα πρόταση συστήματος AO, πειραματικά στην περίπτωση διορθώσεων Tip-Tilt και θεωρητικά για διορθώσεις ανωτέρας τάξεως, θα δοκιμασθεί για υψηλότερης τάξης διορθώσεις με την εγκατάσταση στο Σκίνακα συστήματος AO 19 στοιχείων τύπου Curvature, το οποίο έχει χρηματοδοτηθεί και το οποίο αναμένεται να τεθεί σε λειτουργία στα μέσα του έτους 2001.

        Ταυτόχρονα θα επιδιωχθεί η διάχυση των αποτελεσμάτων στην αστρονομική κοινότητα ώστε η πρότυπη συσκευή που θα προκύψει να μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευρύτατα. Τα ιδρύματα που συμμετέχουν στην παρούσα πρόταση όπως και τα άλλα ιδρύματα που συμμετέχουν στο Αστεροσκοπείο Σκίνακα πέραν του ΙΤΕ (Πανεπιστήμιο Κρήτης και Max-Planck Institut fur Extraterrestrische Physik) διαθέτουν τους απαιτούμενους πόρους και οικονομικά μέσα για τον σκοπό αυτό.