Vse strani matrice

Vse strani matrice

Marat Musin
"Popularna mehanika" št. 5, 2016

Astronomi v Observatoriju Kitt-Peak poskušajo uvesti alternativo adaptivni optiki – CCD s prenašanjem z ortogonalnim polnjenjem.

V ozadju legendarnega teleskopa Mayall in največji svetovni spektrograf, ki dela v Observatoriju Kitt Peak, teleskop WIYN ni tako veličasten in bi se lahko izgubil. Vendar pa so najnovejše tehnologije, ki so bile uporabljene na njej, enakovredne najambicioznejšim instrumentom zemeljske astronomije.

Ime teleskopa WIYN je le zbirka začetnih črk svojih štirih članov: Univerza Wisconsin v Madisonu (W), Univerza Indiana v Bloomingtonu (I), Yale University (Y) in National Optical Astronomy Observatory (N). Od leta 2014 je Yale zapustil konzorcij, njegovo mesto pa je prevzela univerza v Missouriju, vendar ime ostaja

Pesek in kamen

Na celotnem planetu ni tako veliko krajev, v katerih so se geografski in podnebni pogoji razvili za astronome-opazovalce na najboljši način. To je aridna čilska puščava Atacame, kjer je štirih 8.2-metrskih velikanov observatorija VLT in vrsta milimetrskih teleskopov ALMA.To je Mount Mauna Kea na Havajih, kjer je več teleskopov kot na katerem koli drugem vrhu planete in visokogorje Antarktike, kjer je 10 metrov Južni polni teleskop. Sončna puščava na meji ZDA in Mehike je tudi v isti vrstici: tukaj deluje Kitt Peak National Observatory.

Sonora, ena največjih, suhih in vročih puščav Severne Amerike, zaseda ozemlje več držav. Tukaj živijo indijanci plemena Papago – "Tohono-Oodham", "ljudje puščave", blizu ljudi Pima. Planina Kitt-Peak nad terenom (v lokalnem jeziku Oodham-Loligam) je še vedno sveto za njih, vendar ne toliko, kot je vrh Babokvivari, ki se nahaja malo daleč stran. Zato so za razliko od domačinov na Havajih, ki so nedavno blokirali izgradnjo novega 30-metrskega teleskopa na Mauni Kea, Indijci najemali zemljišče na Kitt Peaku pred več kot pol stoletja po precej primerni ceni četrtine dolarja na hektar. Nova pogodba, podpisana v začetku XXI stoletja, je pustila te pogoje v veljavi in ​​omogočila modernizacijo teleskopov. Zaposleni v observatoriju lahko varno načrtujejo svoje delo v naslednjih desetletjih brez strahu pred težavami z Indijanci.

Odsotnost bližnjih mest zmanjšuje onesnaženje nebesnih svetlobe, nadmorska višina nad 2000 m zmanjšuje debelino atmosfere nad observatorijem, sušna klima pa zagotavlja približno 260 "čistih", nočnih nočitev na leto (72%). Danes na pobočjih Kitt Peka, kot so "gobe" na panju, so "kapice" 26 teleskopov tesno nameščene. Planina je odprta za obiskovalce in vsakdo, ki ni nujno astronom, lahko obide to območje. Glavna stvar je, da ne naredimo hrupa, kot opozorilni napisi spominjajo na: "Prosim molči: astronomi spijo čez dan."

Vpliv različnih slojev ozračja na podobo zvezde

Antene in ogledala

Ciklopski teleskop MayallNicholas Meiola, imenovan po drugem direktorju observatorija, je največji optični teleskop na Kitt Peak in eden od 20 največjih na svetu. Njegova 4-metrska in 15-tonska glavna ogledala, čeprav delajo skupaj z najsodobnejšo opremo, še vedno omogoča opazovanje zunaj razreda. Teleskop deluje že od zgodnjih sedemdesetih let in je pravočasno prispeval k proučevanju gibanja oddaljenih galaksij, ki razkrivajo vlogo temne snovi pri širjenju vesolja.

V bližini je sončni teleskop. McMath – Pierce – največji svetovni koronarni. Njegovo ogledalo je nameščeno pod 30-metrskim stolpom, v "vdolbini", pri čemer je še 60 m globoko v gori. Takšna "minska" zasnova odpravi sekundarno ogledalo in odpravlja problem zaščite dela svetlobnega toka, skriva teleskop iz močnih vetrov in padce temperature. Ne brez razloga, več kot 60 let delovanja, je to orodje omogočilo opazovanje spektralnih linij bora, helija, fluora in vode na Soncu.

Poleg tega ima Kitt-Peak dva radijska teleskopa, od katerih je ena vključena v omrežje Zelo dolga izhodiščna matrika (VLBA). Kombinacija ducat takšnih orodij, ki se nahajajo v Severni in Južni Ameriki, na Havajih in v Nemčiji, deluje kot en radijski interferometer z izjemno dolgim ​​več kot 8.000 km bazami in veliko ločljivostjo. Teleskop VLBA je vpleten tudi v delo še širšega radijskega interferometra mednarodnega programa Radioastron, katerega ene od ročic je ruski satelit Spektr-R, ki je v orbiti z nadmorsko višino 350.000 km.

WIYN ni najvidnejši na prvi pogled na teleskopu na gori, temveč najmlajši: leta 1994 je videl "prvo svetlobo". Njegovo ogledalo ima premer 3,5 m, vendar glede kakovosti slike enostavno odgovarja s 6-metrskim Mayall. WIYN lahko imenujemo biser Kitt-Peak, biser samega teleskopa pa je nenavaden CCD matriks, kar vam omogoča drastično izboljšanje kakovosti slike.

Runaway zvezde

Nekoč so astronomi uporabili fotografske plošče za snemanje zvezd in nebesnih teles. Videz CCD matrik v astronomskih opazovanjih (kot na sliki) je naredil resnično revolucijo, vendar glavne težave niso bistveno spremenile. Dejstvo je, da so astronomski predmeti dolgočasni, tako da je kljub velikim premerom ogledal teleskopov za njihovo fotografijo dolga izpostavljenost. In so mobilni, kar postane problem s takim streljanjem.

Dnevno gibanje zvezd na nebu se lahko kompenzira z uporabo vodilnih sistemov, ki s sinusom vrtijo teleskop z vrtenjem zemlje. Vendar pa obstajajo izkrivljanja, ki jih na ta način ni mogoče nadomestiti. Vsi zemeljski optični teleskopi imajo enako pomanjkljivost: spremenljiva atmosfera našega planeta nepravilno in nepredvidljivo omejuje svetlobne valove, ki prihajajo iz oddaljenih astronomskih predmetov, zamegljuje in izkrivlja nastalo sliko.

Za rešitev tega problema teleskopi morajo biti izpuščeni iz ozračja ali opremljeni s sistemi za prilagodljivo optiko (AO). Z uporabo deformabilnih ogledal, ki spreminjajo geometrijo signalov krmilnega sistema, vam AO omogoča delno kompenzacijo izkrivljanj, ki jih povzroča turbulenca zemeljske atmosfere. Kot povratne informacije, AO uporablja slike referenčnih zvezd – resničnih ali umetnih, ki jih "osvetli" laserski žarek na robu vzdušja, na nadmorski višini okoli 90 km. Ta tehnologija je precej draga tudi po standardih observatorija, ki včasih stanejo milijarde dolarjev. Da, in to nadomestilo ima svoje omejitve: še posebej je daleč od idealne po celotnem vidnem polju. Tako je mogoče razumeti željo astronomov, da se ukvarjajo s poslabšanjem slike s pomočjo cenejših alternativ in izboljšav.

CMOS vs CCD

Na konvencionalni fotografiji CCD-je skoraj nadomeščajo matrike, ki temeljijo na tehnologiji komplementarne tehnologije kovin-oksid-polprevodnik-CMOS. Ta tehnologija omogoča integriranje tako matriko detektorjev občutljivosti na svetlobo in digitalne elektronike na en sam čip za obdelavo prejetega signala.V CMOS matrikah se odstranjevanje signalov vzporedno in hkrati sproži iz nabora slikovnih pik. To še zlasti omogoča, da ne čakajo na konec izpostavljenosti in prejemajo podatke v realnem času. Vendar je za poklicno astronomijo v nekaterih primerih še vedno bolj prikladno in bolj donosno uporabljati dobre stare CCD-je, predvsem zaradi zelo nizke ravni hrupa pri visoki stopnji občutljivosti.

Levo-desno in navzgor navzdol

Ena od teh možnosti je bila CCD z ortogonalnim prenosom slike (Ortogonalni prenos CCD, OTCCD), idejo katere je pred približno 20 leti predlagal Paul Schechter in njegovi kolegi na Tehničnem inštitutu v Massachusettsu (MIT). Spomnimo se, da je tradicionalna CCD matrica (CCD) sestavljena iz množice svetlobno občutljivih celic, ki akumulirajo naboje z registracijo fotonov, ki se spuščajo na njih. Ko je izpostavljenost popolna (in samo takrat), se bremenijo zaporedno, eno za drugo, berejo. Celica po celici vsake vrstice se prenaša v bralnik, ki pretvori analogni signal v digitalno. Če se vir sevanja v postopku streljanja in kopičenja matrike CCD polnjenja premakne, se bo njegova slika "zamazala" v več celicah. Obnovitev prvotne oblike bo skoraj nemogoče.

V nasprotju s tem se stroški pri izpostavljenosti matriki OTCCD ne preprosto nabirajo v celicah, temveč se lahko premaknejo tudi v naslednji levi in ​​desni strani. To naredi ukaz krmilnega sistema, ki s pomočjo posameznih neodvisnih senzorjev sledi lokaciji neke referenčne zvezde (kot v sistemih z AO). Takoj, ko sistem opazi, da se je mejnik premaknil, širi svojo gibanje v sosednje slikovne točke in "prisili" vse stroške, ki jih od njih vrne. Ducate krat na sekundo, slika "plava", stroški skočijo na sosednje slikovne točke, nadzorni sistem jih ujame in jih vrne na kraj.

Na levi – klasična CCD matrika: piksel je sestavljen iz več vrat, razporejenih linearno. Pri branju se krmilna napetost izmenično (ciklično) prilega vratom, kar povzroči, da se nakopičene bremene (elektroni) premikajo v eni (in samo v eni) smeri, kot v transporterju. Na desni – različica OTCCD-matrice z ortogonalnim prenosom. Njegove piksle so že sestavljene iz štirih vrat različnih geometrije, ki vam omogočajo premikanje bremena v dveh pravokotnih smernicah.

To vam omogoča nadomeščanje vpliva turbulence v atmosferi, vibracije teleskopa, napake pri sledenju zvezdi in odlične ločljivosti. Prve tovrstne matrike so sestavljale samo 512 × 512 elementov, vendar so že pokazale odlične rezultate: povečala se je kotna ločljivost instrumentov in razmerje med signalom in šumom se je povečalo.

Pripravljena matrica 64 ortogonalnih prenosnih matrik – OTA

Naslednja generacija OTCCD je že celoten niz matrik – OTA (Orthogonal Transfer Array). Vsak od njih ima svoj neodvisni sistem za nadzor prenosa zaračunavanja in lahko uporablja svojo referenčno zvezdo, kar omogoča doseganje zelo učinkovite kompenzacije finega jitterja skoraj v celotnem vidnem polju. Hkrati OTA ne izključuje vzporedne aplikacije in prilagodljive optike. Enak WIYN teleskop je opremljen tudi s sistemom AO in njegovim glavnim instrumentom, fotoaparatom ODI (Enostopenjski slikar), ima 30 OTA-nizov s 64 matrikami po 480 × 496 slikovnih pik.

Delno napolnjene OTCCD nizi WIYN teleskopa. Bilo je v tej konfiguraciji (devet matrik v središču in štiri na robovih), da je teleskop delal v prvih dveh letih. Danes je njihovo število doseglo 30

Tišina in navdih

Poleg matrike OTA na teleskopu WIYN sta v infrardečem obsegu spektrograf in kamera za opazovanje, zato ni presenetljivo, da je razpored njegovih opazovanj zapolnjen nekaj mesecev pred nami. Znanstveni interesi astronoma, ki delajo z njim, so zelo široki: iskanje in potrjevanje novih eksoplanetov, podrobna študija posnetka supernove, opazovanja oddaljenih skupin galaksij in prašnih repov asteroidov …

Ampak ne le znanstveniki delajo z WIYN teleskopom. Tukaj je več tehnikov, ki spremljajo njegovo stanje, ga napolnijo s tekočim dušikom, nočni operater pa pripomore k opazovanju: orodje je predrago in ga je težko zaupati celo astronomom. Takšno delo ni primerno za vse – potrebno je ostati buden celo noč, vsakih 20 minut preusmerjati teleskop v novo točko in odnesti preveč zavzetih učencev z nadzorne plošče. Toda nekateri so celo zadovoljni: med temi opazovanji smo srečali operaterja, ki je med odmori pisal znanstveno-fantastične knjige. Tišina in puščave, puščavske gore in tesen prostor – vedno navdihujejo.


Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: