Астрономическое видение - Astronomical seeing

Принципиальная схема, показывающая, как оптические волновые фронты от далекой звезды могут быть возмущены слоем турбулентного перемешивания в атмосфере. Вертикальный масштаб нанесенных волновых фронтов сильно преувеличен.

Астрономическое видение относится к степени видимого размытия и мерцание из астрономические объекты подобно звезды из-за турбулентное перемешивание в атмосфера из земной шар, вызывая вариации оптических показатель преломления. Условия видимости в данную ночь в данном месте описывают, насколько Атмосфера Земли возмущает изображение звезд, видимых через телескоп.

Наиболее распространенным измерением качества изображения является полная ширина на половине максимальной (FWHM) оптической интенсивности поперек видя дискфункция разброса точки для визуализации сквозь атмосферу). FWHM функции рассеяния точки (в широком смысле называется диаметром видимого диска или "видя") является наилучшим из возможных угловое разрешение это может быть достигнуто оптический телескоп в изображение с длинной выдержкой, и соответствует FWHM нечеткой капли, наблюдаемой при наблюдении точечный источник (например, звезда) сквозь атмосферу. Размер видящего диска определяется условиями видимости во время наблюдения. Наилучшие условия дают диаметр видимого диска ~ 0,4 угловые секунды и находятся на большой высоте обсерватории на небольших островах, таких как Мауна-Кеа или же Ла Пальма.

Видение - одна из самых больших проблем для земных астрономия. Хотя большой телескопы теоретически имеют разрешение в миллисекундах, реальное изображение ограничено средним видимым диском во время наблюдения. Это может легко означать коэффициент 100 между потенциальным и практическим разрешением. Начиная с 1990-х годов, новые адаптивная оптика были введены средства, которые могут помочь исправить эти эффекты, значительно улучшив разрешение наземных телескопов.

Последствия

Zeta bootis short Extension.png
Типичное негативное изображение двойной звезды (Зета Боэтис в данном случае), если смотреть через атмосферу. Каждая звезда должна отображаться как отдельная Воздушный узор, но атмосфера заставляет изображения двух звезд разбиваться на два образца крапинки (один узор вверху слева, другой внизу справа). Пятнышки на этом изображении немного трудно различить из-за крупного размера пикселей на используемой камере (см. Смоделированные изображения ниже для более ясного примера). Крапинки быстро перемещаются, так что каждая звезда выглядит как единое нечеткое пятно на изображениях с большой выдержкой (называемых видя диск). Используемый телескоп имел диаметр около 7 мм.р0 (см. определение р0 ниже, и пример смоделированного изображения через 7р0 телескоп).

Астрономическое видение имеет несколько эффектов:

  1. Это вызывает изображения точечные источники (например, звезды), которые при отсутствии атмосферной турбулентности были бы устойчивыми Воздушные узоры образуются за счет дифракции, чтобы разбиться на спекл-паттерны, которые очень быстро меняются со временем (полученные крапчатые изображения можно обработать, используя спекл-визуализация )
  2. Изображения с длительной выдержкой этих изменяющихся пятен приводят к размытому изображению точечного источника, называемому видя диск
  3. Яркость звезд, кажется, колеблется в процессе, известном как мерцание или мерцание
  4. Атмосферное видение вызывает полосы в астрономический интерферометр двигаться быстро
  5. Распределение атмосферного изображения сквозь атмосферу (CN2 профиль, описанный ниже) вызывает качество изображения в адаптивная оптика системы деградировать дальше вы смотрите от расположения опорной звезды

Эффекты атмосферного видения были косвенно ответственны за веру в то, что каналы на Марсе.[нужна цитата ] При просмотре яркого объекта, такого как Марс, иногда все еще патч Воздуха появится перед планетой, что приведет к кратковременной ясности. Перед использованием устройства с зарядовой связью, не было другого способа записать изображение планеты в краткий момент, кроме как заставить наблюдателя запомнить изображение и нарисовать его позже. Это привело к тому, что изображение планеты зависело от памяти наблюдателя и предубеждений, которые привели к убеждению, что Марс имеет линейные особенности.

Эффекты атмосферного видения качественно схожи во всем видимом и ближнем свете. инфракрасный диапазоны волн. На больших телескопах разрешение изображения с длинной выдержкой обычно немного выше на более длинных волнах, а масштаб времени (т0 - см. ниже) изменения в танцевальной спекл-структуре существенно ниже.

Меры

Есть три общих описания астрономических условий видимости в обсерватории:

  • Полная ширина на половине высоты (FWHM) видящего диска
  • р0 (размер типичного «комка» однородного воздуха в турбулентной атмосфере[1]) и т0 (временной масштаб, в течение которого изменения турбулентности становятся значительными)
  • CN2 профиль

Они описаны в подразделах ниже:

Полная ширина на половине высоты (FWHM) видящего диска

Без атмосферы маленькая звезда имела бы кажущийся размер "Диск Эйри "на изображении телескопа, определяемом дифракция и был бы обратно пропорционален диаметру телескопа. Однако когда свет попадает в Атмосфера Земли разные температурные слои и разные скорости ветра искажают световые волны, что приводит к искажениям изображения звезды. Воздействие атмосферы можно смоделировать как вращающиеся ячейки воздуха, движущиеся турбулентно. В большинстве обсерваторий турбулентность значительна только на масштабах больше, чем р0 (см. ниже - параметр зрения р0 составляет 10–20 см в видимом диапазоне длин волн при наилучших условиях), и это ограничивает разрешение телескопов примерно таким же, как у космического телескопа 10–20 см.

Искажение изменяется с высокой скоростью, обычно более 100 раз в секунду. На типичном астрономическом изображении звезды с время воздействия секунд или даже минут, различные искажения усредняются как заполненный диск, называемый «видимым диском». В диаметр зрительного диска, чаще всего определяемого как полная ширина на половине максимальной (FWHM), является мерой астрономических условий видимости.

Из этого определения следует, что видимость - это всегда величина переменная, разная от места к месту, от ночи к ночи и даже переменная по шкале минут. Астрономы часто говорят о «хороших» ночах с низким средним диаметром диска зрения и «плохих» ночах, когда диаметр видимости был настолько велик, что все наблюдения были бесполезны.

FWHM видящего диска (или просто «видящего») обычно измеряется в угловые секунды, обозначаемый символом (″). Качество изображения 1.0 ″ хорошее для средних астрономических объектов. Видимость городской среды обычно намного хуже. Хорошие видящие ночи обычно бывают ясными, холодными без порывов ветра. Поднимается теплый воздух (конвекция ), ухудшающие зрение, как ветер и облака. На самой лучшей высокогорной вершине обсерватории, ветер приносит стабильный воздух, который ранее не контактировал с землей, иногда обеспечивая качество обзора до 0,4 дюйма.

р0 и т0

Астрономические условия изображения в обсерватории удобно описывать параметрами р0 и т0.

Для телескопов диаметром менее р0разрешение изображений с длинной выдержкой определяется в первую очередь дифракцией и размером картины Эйри и, таким образом, обратно пропорционально диаметру телескопа.

Для телескопов диаметром более р0разрешение изображения определяется в первую очередь атмосферой и не зависит от диаметра телескопа, оставаясь постоянным при значении, заданном телескопом с диаметром, равным р0. р0 также соответствует масштабу длины, на котором турбулентность становится значительной (10–20 см в видимом диапазоне длин волн в хороших обсерваториях), и т0 соответствует масштабу времени, в течение которого изменения турбулентности становятся значительными. р0 определяет расстояние между приводами, необходимое в адаптивная оптика система и т0 определяет скорость коррекции, необходимую для компенсации атмосферных воздействий.

Параметры р0 и т0 изменяются в зависимости от длины волны, используемой для астрономических изображений, что позволяет получать изображения с немного более высоким разрешением на более длинных волнах с использованием больших телескопов.

Параметр видения р0 часто называют Жареный параметр (произносится как «освобожденный»), названный в честь Дэвид Л. Фрид. Постоянная времени атмосферы т0 часто называют Постоянная времени Гринвуда, после Дэррил Гринвуд.

Математическое описание р0 и т0

Имитация негативного изображения, показывающего, как будет выглядеть одиночная (точечная) звезда в наземный телескоп диаметром 2 мм.р0. Размытие изображения из-за дифракция, что приводит к тому, что появление звезды Воздушный узор с центральным диском, окруженным намеками на слабые кольца. Атмосфера заставляла изображение перемещаться очень быстро, так что на фотографии с длинной выдержкой оно выглядело более размытым.
Имитация негативного изображения, показывающего, как будет выглядеть одиночная (точечная) звезда в наземный телескоп диаметром 7 мм.р0, в том же угловом масштабе, что и 2р0 изображение выше. Атмосфера разбивает изображение на несколько капель (крапинки). Крапинки перемещаются очень быстро, так что на фотографии с большой выдержкой звезда будет выглядеть как единое размытое пятно.
Имитация негативного изображения, показывающего, как будет выглядеть одиночная (точечная) звезда в наземный телескоп диаметром 20 мм.р0. Атмосфера разбивает изображение на несколько капель (крапинки). Крапинки перемещаются очень быстро, так что на фотографии с большой выдержкой звезда будет выглядеть как единое размытое пятно.

Математические модели могут дать точную модель влияния астрономического зрения на изображения, полученные с помощью наземных телескопов. Три смоделированных изображения с короткой экспозицией показаны справа через три разных диаметра телескопа (как негативные изображения, чтобы более четко выделить более тусклые детали - обычное астрономическое соглашение). Диаметры телескопов указаны с учетом параметра Фрида. (определено ниже). - широко используемый метод измерения астрономического зрения в обсерваториях. На видимых длинах волн варьируется от 20 см в лучших местах до 5 см в типичных местах на уровне моря.

На самом деле узор из капель (крапинки) на изображениях меняется очень быстро, так что на фотографиях с длинной выдержкой будет просто видна одна большая размытая капля в центре для каждого диаметра телескопа. Диаметр (FWHM) большого размытого пятна на изображениях с длинной выдержкой называется диаметром видимого диска и не зависит от диаметра используемого телескопа (если не применяется коррекция адаптивной оптики).

Прежде всего полезно дать краткий обзор основной теории распространения оптического излучения в атмосфере. В стандартной классической теории свет рассматривается как колебание в поле . Для монохроматических плоских волн, приходящих от удаленного точечного источника с волновым вектором :куда комплексное поле в позиции и время , с действительной и мнимой частями, соответствующими компонентам электрического и магнитного поля, представляет сдвиг фазы, частота света определяется , и это амплитуда света.

Поток фотонов в этом случае пропорционален квадрату амплитуды , а оптическая фаза соответствует комплексному аргументу . Поскольку волновые фронты проходят через атмосферу Земли, они могут возмущаться изменениями показателя преломления в атмосфере. На диаграмме в правом верхнем углу этой страницы схематично показан турбулентный слой в атмосфере Земли, возмущающий плоские волновые фронты, прежде чем они попадут в телескоп. Возмущенный волновой фронт могут быть связаны в любой момент с исходным плоским волновым фронтом следующим образом:

куда представляет собой частичное изменение амплитуды волнового фронта, а представляет собой изменение фазы волнового фронта, вносимое атмосферой. Важно подчеркнуть, что и описывают влияние атмосферы Земли, а временные рамки для любых изменений этих функций будут задаваться скоростью колебаний показателя преломления в атмосфере.

Колмогоровская модель турбулентности.

Описание природы возмущений волнового фронта, вносимых атмосферой, дает Колмогоровская модель разработан Татарским,[2] основанный частично на исследованиях турбулентность русским математиком Андрей Колмогоров.[3][4] Эта модель подтверждается множеством экспериментальных измерений.[5] и широко используется при моделировании астрономических изображений. Модель предполагает, что возмущения волнового фронта вызываются вариациями показателя преломления атмосферы. Эти изменения показателя преломления непосредственно приводят к фазовым флуктуациям, описываемым , но любые флуктуации амплитуды возникают только как эффект второго порядка, когда возмущенные волновые фронты распространяются от возмущающего слоя атмосферы к телескопу. Для всех разумных моделей атмосферы Земли в оптических и инфракрасных длинах волн в мгновенных изображениях преобладают фазовые флуктуации. . Колебания амплитуды, описываемые незначительно влияют на структуру изображений, видимых в фокусе большого телескопа.

Для простоты в модели Татарского часто предполагается, что фазовые флуктуации имеют гауссово случайное распределение со следующей структурной функцией второго порядка:

куда - вызванная атмосферой дисперсия между фазой на двух частях волнового фронта, разделенных расстоянием в плоскости апертуры, а представляет собой среднее по ансамблю.

Для гауссовского случайного приближения структурная функция Татарского (1961) может быть описана одним параметром :

указывает на сила фазовых флуктуаций, поскольку он соответствует диаметру круглой апертуры телескопа, при котором атмосферные фазовые возмущения начинают серьезно ограничивать разрешение изображения. Типичный значения для наблюдений в полосе I (длина волны 900 нм) на хороших участках составляют 20–40 см. также соответствует диаметру апертуры, для которого отклонение фазы волнового фронта, усредненной по апертуре, приближается к единице:[6]

Это уравнение представляет собой обычно используемое определение для , параметр, часто используемый для описания атмосферных условий в астрономических обсерваториях.

можно определить из измеренного CN2 профиль (описанный ниже) следующим образом:

где сила турбулентности варьируется в зависимости от высоты над телескопом и угловое расстояние астрономический источник от зенит (прямо сверху).

Если предполагается, что турбулентная эволюция происходит в медленных временных масштабах, то временные масштабы т0 просто пропорционально р0 деленное на среднюю скорость ветра.

Флуктуации показателя преломления, вызванные гауссовой случайной турбулентностью, можно моделировать с помощью следующего алгоритма:[7]

куда - оптическая фазовая ошибка, вызванная атмосферной турбулентностью, R (k) - двумерный квадратный массив независимых случайных комплексных чисел, которые имеют гауссово распределение около нуля и спектр белого шума, K (k) - ожидаемая (действительная) амплитуда Фурье. из спектра Колмогорова (или фон Кармана) Re [] представляет собой действительную часть, а FT [] представляет собой дискретное преобразование Фурье результирующего двумерного квадратного массива (обычно БПФ).

Астрономические обсерватории обычно расположены на вершинах гор, так как воздух на уровне земли обычно более конвективный. Слабый ветер, доносящий стабильный воздух высоко над облаками и океаном, обычно обеспечивает наилучшие условия обзора (показан телескоп: НЕТ ).

Турбулентная перемежаемость

Предположение, что фазовые флуктуации в модели Татарского имеют гауссово случайное распределение, обычно нереалистично. В действительности турбулентность проявляет перемежаемость.[8]

Эти колебания силы турбулентности можно легко моделировать следующим образом:[9]

где I (k) - двумерный массив, который представляет спектр перемежаемости, с теми же размерами, что и R (k), и где представляет свертку. Перемежаемость описывается флуктуациями силы турбулентности. . Можно видеть, что приведенное выше уравнение для гауссовского случайного случая является лишь частным случаем этого уравнения с:

куда это Дельта-функция Дирака.

В профиль

Более подробное описание астрономической видимости в обсерватории дается путем создания профиля силы турбулентности как функции высоты, называемой профиль. Профили обычно выполняются при принятии решения о типе адаптивной оптической системы, которая потребуется на конкретном телескопе, или при принятии решения о том, будет ли конкретное место хорошим местом для создания новой астрономической обсерватории. Обычно для измерения профиль а потом сравнил. Некоторые из наиболее распространенных методов включают:

  1. СКИДАР (фотографируя теневые узоры в мерцании звездного света)
  2. LOLAS (малогабаритный вариант SCIDAR, предназначенный для профилирования на малых высотах)
  3. СЛОДАР
  4. МАССА
  5. MooSci (11-канальный лунный сцинтиллометр для профилирования с уровня земли)[10]
  6. Радиолокационное отображение турбулентности
  7. Воздушные термометры для измерения скорости колебания температуры воздуха во времени из-за турбулентности.
  8. V2 Precision Data Collection Hub (PDCH) с датчиками дифференциальной температуры, используемыми для измерения атмосферной турбулентности

Также существуют математические функции, описывающие профиль. Некоторые из них являются эмпирическими подгонками на основе измеренных данных, а другие пытаются включить элементы теории. Одна из распространенных моделей континентальных массивов суши известна как долина Хуфнагель в честь двух исследователей в этой области.

Преодоление атмосферного видения

Анимированное изображение Луна поверхность, показывающая влияние атмосферы Земли на вид

Первый ответ на эту проблему был спекл-визуализация, что позволяло наблюдать яркие объекты простой морфологии с дифракционно ограниченным угловым разрешением. Позже пришел НАСА с Космический телескоп Хаббла, работая за пределами атмосферы и, таким образом, не имея проблем со зрением и позволяя впервые наблюдать слабые цели (хотя и с более низким разрешением, чем спекл-наблюдения ярких источников с наземных телескопов из-за меньшего диаметра телескопа Хаббла). В настоящее время изображения в видимой и инфракрасной области с самым высоким разрешением поступают от оптических изображений. интерферометры такой как Прототип оптического интерферометра ВМФ или же Кембриджский телескоп с синтезированной оптической апертурой, но их можно использовать только для очень ярких звезд.

Начиная с 1990-х годов, многие телескопы разработали адаптивная оптика системы, которые частично решают проблему зрения. Лучшие системы, созданные на сегодняшний день, такие как СФЕРА на ESO VLT и GPI на телескопе Близнецов добиться Коэффициент Штреля 90% на длине волны 2,2 микрометра, но только в очень небольшой области неба за раз.

Астрономы могут использовать искусственную звезду, посветив мощным лазером, чтобы исправить размытие, вызванное атмосферой.[11]

Более широкое поле зрения может быть получено с помощью нескольких деформируемых зеркал, сопряженных с несколькими высотами атмосферы, и измерения вертикальной структуры турбулентности с помощью метода, известного как многосопряженная адаптивная оптика.

Этот любительский удачный стек изображений, использующий лучшие из 1800 кадров Юпитера, снятых с помощью относительно небольшого телескопа, приближается к теоретическому максимальному разрешению телескопа, а не ограничивается обзором.

Еще одна более дешевая техника, удачная визуализация, показал хорошие результаты на небольших телескопах. Эта идея восходит к довоенным наблюдениям невооруженным глазом моментов хорошего видения, за которыми следовали наблюдения планет на кинопленке после Вторая Мировая Война. Этот метод основан на том факте, что время от времени влияние атмосферы будет незначительным, и, следовательно, путем записи большого количества изображений в реальном времени можно получить «удачное» отличное изображение. Это случается чаще, когда число r0-size патчи зрачок телескопа не слишком велик, и, следовательно, методика не работает для очень больших телескопов. Тем не менее в некоторых случаях она может превосходить адаптивную оптику и доступна для любителей. Это требует гораздо большего времени наблюдения, чем адаптивная оптика для визуализации слабых целей и имеет ограниченное максимальное разрешение.[нужна цитата ]

Смотрите также

Рекомендации

Большая часть приведенного выше текста взята (с разрешения) из Удачные экспозиции: астрономические изображения атмосферы ограничены дифракцией., Роберт Найджел Таббс

  1. ^ Хроми, Фредерик Р. (2010). Для измерения неба: введение в наблюдательную астрономию (1-е изд.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. п. 140. ISBN  9780521763868.
  2. ^ Татарский, В. И. (1961). Р.А. Сильверман (ред.). Распространение волн в турбулентной среде.. Мичиганский университет: McGraw-Hill Books. п. 285. Bibcode:1961wptm.book ..... T.
  3. ^ Колмогоров, А. Н. (1941). «Рассеяние энергии в локально изотропной турбулентности». Comptes Rendus de l'Académie des Sciences de l'URSS. 32 (1890): 16–18. Bibcode:1941ДоССР..32 ... 16К. JSTOR  51981.
  4. ^ Колмогоров, А. Н. (1941). «Локальная структура турбулентности в несжимаемой вязкой жидкости при очень больших числах Рейнольдса». Comptes Rendus de l'Académie des Sciences de l'URSS. 30 (1890): 301–305. Bibcode:1941ДоССР..30..301К. JSTOR  51980.
  5. ^ БУШЕР, Д. Ф .; ARMSTRONG, J. T .; HUMMEL, C.A .; QUIRRENBACH, A .; МОЗУРКЕВИЧ, Д .; ДЖОНСТОН, К. Дж .; DENISON, C. S .; COLAVITA, M. M .; ШАО М. (февраль 1995 г.). «Интерферометрические измерения качества изображения на горе Вильсон: спектры мощности и внешние масштабы». Прикладная оптика. 34 (6): 1081–1096. Bibcode:1995ApOpt..34.1081B. Дои:10.1364 / AO.34.001081. PMID  21037637.
  6. ^
  7. ^ Влияние временных флуктуаций r0 на наблюдения с высоким разрешением , Роберт Н. Таббс Proc SPIE 6272 стр. 93T, 2006 г.
  8. ^
    • BATCHELOR, G. K., & TOWNSEND, A. A. 1949 (май).
    Природа турбулентного движения при больших волновых числах. Страницы 238–255 из: Proceedings of the Royal Society of London A, 199.
    • Болдуин, Дж. Э .; Уорнер, П. Дж .; Маккей, К. Д., Функция рассеяния точки в Lucky Imaging и вариации видения в короткие сроки, Астрономия и астрофизика, т. 480, с. 589B.
  9. ^ Влияние временных флуктуаций r0 на наблюдения с высоким разрешением, Роберт Н. Таббс Proc SPIE 6272 стр. 93T, 2006 г.
  10. ^ Вильянуэва, Стивен-младший; Депой, Д. Л .; Marshall, J .; Бердя, А .; Rheault, J.P .; Prieto, G .; Allen, R .; Карона, Д. (июль 2010 г.). Маклин, Ян С; Рамзи, Сюзанна К.; Таками, Хидеки (ред.). «MooSci: лунный сцинтиллометр» (PDF). Наземные и бортовые приборы для астрономии III. Под редакцией McLean, Ian S .; Рамзи, Сюзанна К .; Таками, Хидеки. Труды SPIE. Наземные и бортовые приборы для астрономии III. 7735: 773547. Bibcode:2010SPIE.7735E..47V. Дои:10.1117/12.857413.
  11. ^ «Смесь красок и чудес». Получено 15 июн 2015.

внешняя ссылка