Sie können immer noch nicht klar sehen? Es scheint, dass das Teleskop aktualisiert werden muss

Im Jahr 1609 baute der Astronom Galileo ein Teleskop mit einem Durchmesser von 4,4 cm und beobachtete damit Mond, Sonne, Sterne und Milchstraße. Dies war das weltweit erste astronomische Teleskop mit wissenschaftlichen Forschungsergebnissen. Galileo nutzte es, um die Jupitermonde zu entdecken und den Sonnenfleckenzyklus zu messen.

Galileo bringt anderen den Umgang mit einem Teleskop bei (Quelle: Wikipedia)

Wenn Sie Ihre Arbeit gut machen möchten, müssen Sie zuerst Ihre Werkzeuge schärfen. Da Teleskope in der astronomischen Forschung eine entscheidende Rolle spielen, ist die Frage, wie sich die Klarheit verbessern lässt, für die Wissenschaftler selbstverständlich zu einem schwierigen Problem geworden.

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Da Wissenschaftler die optischen Prinzipien von Teleskopen immer besser verstehen, haben sie den Hauptfaktor zusammengefasst, der die Auflösung von Teleskopen beeinflusst: die Apertur. Je größer die Öffnung eines Teleskops ist, desto größer ist seine Fähigkeit, Licht zu sammeln und desto mehr Informationen kann es erfassen.

Der Zusammenhang zwischen der Apertur und dem Auflösungsvermögen eines optischen Systems wird in der nach dem Physiker Lord Rayleigh benannten Formel anschaulich ausgedrückt.

Es macht nichts, wenn Sie die Formel nicht verstehen. Tatsächlich bedeutet dies: Je größer die Öffnung des Teleskops, desto höher ist seine Auflösung und desto mehr Details können beobachtet werden.

Bildquelle: vom Autor selbst erstellt

Mit dem Fortschritt der Technologie werden die Öffnungen der von der astronomischen Gemeinschaft hergestellten Teleskope immer größer. Im Jahr 1789 baute der Brite und Deutsche William Herschel ein Spiegelteleskop mit einer Öffnung von 1,22 Metern. 1975 wurde das von der Sowjetunion gebaute Sechs-Meter-Spiegelteleskop BTA-6 offiziell enthüllt. Es war damals das größte Teleskop der Welt.

Im tatsächlichen Betrieb sind die Beobachtungsergebnisse von BTA-6 jedoch fast dieselben wie die eines Ein-Meter-Teleskops. Trotz der großen Öffnung des BTA-6 werden seine Beobachtungsmöglichkeiten durch atmosphärische Turbulenzen immer noch stark eingeschränkt. BTA-6 kann in weniger als der Hälfte aller Nächte im Jahr Beobachtungen durchführen und seine Auflösung ist weit entfernt von dem mit der Rayleigh-Formel berechneten Ergebnis.

Atmosphärische Turbulenzen, die die Beobachtungen stören

Die funkelnden Sterne in der Nacht, die sich in der Ferne auf einer heißen Sommerstraße windenden Autos und die Szene hinter einem Flugzeugtriebwerk werden alle durch atmosphärische Turbulenzen verursacht. Aufgrund atmosphärischer Turbulenzen erscheinen Objekte verzerrt. Atmosphärische Turbulenzen führen dazu, dass das Licht beim Durchgang durch die Atmosphäre verzerrt wird, was die Qualität der von Teleskopen beobachteten Bilder erheblich beeinträchtigt.

Atmosphärische Turbulenzen verursachen Verzerrungen in Bildern des Mondes, die durch Teleskope beobachtet werden (Quelle: Wikipedia)

Um die Auswirkungen atmosphärischer Turbulenzen zu minimieren, entschieden sich die Wissenschaftler zunächst dafür, Teleskope an Orten mit besseren atmosphärischen Bedingungen zu bauen. Vor dem Bau von BAT-6 wurden sechzehn Expeditionsteams in verschiedene Regionen der Sowjetunion entsandt; der endgültige Standort fiel auf das Nordkaukasusgebirge in einer Höhe von 2.070 Metern. Derzeit befinden sich fast alle wichtigen astronomischen Observatorien der Welt an Orten mit relativ guten atmosphärischen Bedingungen wie Hawaii und den Kanarischen Inseln.

Dennoch lässt sich nicht vermeiden, dass atmosphärische Turbulenzen die Beobachtungen beeinträchtigen. Die gequälten Wissenschaftler fragten sich: Verzerren atmosphärische Turbulenzen nicht das Licht? Ist es also möglich, das Licht zurückzudrehen? Inspiriert von dieser Idee entstand die Technologie der adaptiven Optik.

Adaptive Optik mit verdrehten Spiegeln

Bereits 1953 schlugen Wissenschaftler das Konzept der adaptiven Optik vor, doch es dauerte Jahrzehnte, bis ein wirklicher Durchbruch gelang. Das Herzstück der adaptiven Optik sind verformbare Spiegel und Shack-Hartmann-Wellenfrontsensoren, die Verzerrungen in Lichtwellen erkennen. Verformbare Spiegel werden verwendet, um die durch atmosphärische Turbulenzen verursachte Verzerrung zu korrigieren und so die Leistung des optischen Systems erheblich zu verbessern.

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Aber wie verformt sich der Spiegel? Eine Idee besteht darin, einen sehr dünnen Spiegel herzustellen und dahinter Druck auszuüben, um ihn zu verformen.

Das deformierbare Spiegelsystem im VLT-Durchmusterungsteleskop der Europäischen Weltraumorganisation sieht beispielsweise so aus:

Die dicht gepackten kleinen Löcher an der Oberseite werden mit kleinen Treibern bestückt, die dann mit einer sehr dünnen Linse abgedeckt werden. Die Treiber führen zu einer Verformung der Linse.

Ultradünne Linsen, die den Aktuator bedecken (Quelle: Offizielle Website der ESA)

Wenn ein mit einem adaptiven Optiksystem ausgestattetes Teleskop in Betrieb ist, schießt es Laserstrahlen in den Himmel. Die Funktion dieses Laserstrahls besteht darin, die durch atmosphärische Turbulenzen verursachte Verzerrung zu messen, und die gemessenen Daten dienen als Referenz für die Verformung des verformbaren Spiegels. Der verformbare Spiegel kann seine Form Hunderte Male pro Sekunde anpassen, um mit den sich ständig ändernden atmosphärischen Turbulenzen fertig zu werden.

Bild aufgenommen mit dem astronomischen Teleskop VLT. Die linke Seite ist das Bild, das nach dem Einschalten des adaptiven Optiksystems erhalten wurde, und die rechte Seite ist das Bild, das ohne das adaptive Optiksystem erhalten wurde.

(Bildquelle: Offizielle Website der Europäischen Weltraumorganisation)

Nach der Lösung des schwierigen Problems der atmosphärischen Turbulenzen hat die astronomische Gemeinschaft ein Bild gezeigt, in dem sie „größer und stärker wird und größere Pracht hervorbringt“. Zu den gebauten großen Teleskopen gehören:

Das 10 Meter durchmessende Keck-Teleskop auf der Pazifikinsel Hawaii;

Keck-Teleskop (Quelle: Wikipedia)

Das 10,4 Meter durchmessende Canary-Teleskop auf der spanischen Insel La Palma;

Das Salter-Teleskop mit 11 Metern Durchmesser am South African Astronomical Observatory. Diese großen Teleskope können als ein Kampf der Götter mit gleicher Stärke beschrieben werden.

Derzeit laufen Planungen für den Bau des TMT-Teleskops mit 30 Metern Durchmesser, des Giant Magellan Telescope mit einem entsprechenden Durchmesser von 21,4 Metern und des ELT-Teleskops mit 42 Metern Durchmesser.

ELT-Teleskop-Rendering (Quelle: Offizielle Website der Europäischen Weltraumorganisation)

Die Entwicklung der adaptiven Optik hat nicht nur große Beiträge für die astronomische Gemeinschaft geleistet, sondern findet auch in anderen Bereichen breite Anwendung.

In medizinischen Bildgebungsgeräten ermöglicht uns die Anwendung adaptiver Optik, klarere Bilder der Gewebestruktur des menschlichen Auges zu erhalten und so den medizinischen Fortschritt zu fördern. Im Bereich der Kernfusion, der idealsten Energiequelle für die Menschheit in der Zukunft, kann die adaptive Laseroptik Laserstrahlen von besserer Qualität erzeugen und so neue Möglichkeiten für die Energieversorgung der Menschheit in der Zukunft eröffnen.

Gibt es atmosphärische Effekte? Dann geh in den Weltraum

Neben der adaptiven Optik gibt es einen direkteren Weg, atmosphärische Turbulenzen zu beseitigen: die Reise in den Weltraum.

Das Hubble-Teleskop ist das erste Teleskop im Besitz von Menschen, das außerhalb der Atmosphäre funktioniert. Er hat einen Durchmesser von 2,4 Metern. Da es sich über der Atmosphäre befindet, wird es nicht von atmosphärischen Turbulenzen beeinflusst. Die Erfindung des Hubble-Teleskops glich die Mängel erdgebundener Beobachtungen erfolgreich aus, half den Wissenschaftlern bei der Lösung vieler grundlegender Probleme der Astronomie und ermöglichte den Menschen auch ein besseres Verständnis der Astrophysik.

Das vor kurzem gestartete James Webb Telescope (JWST) ist der neue König der Weltraumteleskope. Im Vergleich zur 2,4-Meter-Öffnung des Hubble-Teleskops verfügt es nicht nur über eine größere Öffnung (6,5 Meter), sondern ist auch mit einem adaptiven Optiksystem ausgestattet.

Atlas der wichtigsten Teleskopgrößen der Welt (Quelle: Wikipedia)

Aufgrund der Größe der Rakete besteht der Spiegel des JWST nicht aus einem Stück, sondern ist aus achtzehn sechseckigen Linsen zusammengesetzt. Der Hauptspiegel des Teleskops tritt gefaltet in den Weltraum ein und entfaltet sich im Raum, wobei ein adaptives optisches System verwendet wird, um die Positionsabweichungen verschiedener Linsen zu korrigieren. Um den Einfluss der Sonne auf die Beobachtungen zu vermeiden, flog das JWST für Beobachtungen auch zum 1,5 Millionen Kilometer entfernten zweiten Lagrange-Punkt.

Zu den im Bau befindlichen Weltraumteleskopen gehört das Weltraumteleskop zur Himmelsdurchmusterung, das vom Changchun-Institut für Optik, Feinmechanik und Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entworfen und hergestellt wurde. Es wird erwartet, dass das Sky Survey Telescope im Jahr 2024 ins All geschossen wird und gemeinsam mit der Raumstation Tiangong in der Umlaufbahn kreist.

Chinesische Wissenschaftler untersuchen außerdem Möglichkeiten zur Herstellung und Montage des Teleskops im Orbit, um die begrenzte Ladekapazität von Raketen auszugleichen. Vielleicht wird es bald ein Weltraumteleskop mit 30 Metern Durchmesser geben, das im All funktioniert.

Große astronomische Teleskope sind der Höhepunkt menschlicher Weisheit und moderner Technologie. Das unermüdliche Streben der Menschheit nach dem Weltraum hat zu einer kontinuierlichen Weiterentwicklung der astronomischen Teleskoptechnologie geführt. Und die menschliche Erforschung des Universums wird weitergehen.

Quellen:

[1]https://www.tmt.org/blog/tmt20180419

[2]https://www.eso.org/public/

[3] Jiang Wenhan, Jiang, Wenhan et al. Ein Überblick über die Entwicklung der adaptiven Optik[J]. Optoelektronische Technik, 2018, 45(3):15.

[4] Angeli GZ, Dierickx P, Neill D, et al. Übersicht über das aktive Optiksystem LSST[C]// Modellierung, Systemtechnik und Projektmanagement für Astronomie VI. Modellierung, Systemtechnik und Projektmanagement für die Astronomie VI, 2014:91500G.

[5] Ellerbroek BL, Gilles L, Vogel CR. Ein rechnerisch effizienter Wellenfront-Rekonstruktor zur Simulation multikonjugierter adaptiver Optik auf Riesenteleskopen[J]. Proceedings of SPIE – Die Internationale Gesellschaft für Optische Technik, 2003.

[6] Eine kurze Geschichte der astronomischen Teleskope - jjjastronomys Artikel - Zhihu https://zhuanlan.zhihu.com/p/33304114

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Gesalzener Fisch im Meer

Hersteller: China Science Expo