В астрономии , видимость — это ухудшение изображения астрономического объекта из -за турбулентности в атмосфере Земли , которое может стать видимым как размытость, мерцание или переменное искажение . Источником этого эффекта являются быстро меняющиеся изменения оптического показателя преломления вдоль пути света от объекта к детектору. Видимость — это основное ограничение углового разрешения в астрономических наблюдениях с помощью телескопов , которое в противном случае было бы ограничено из-за дифракции размером апертуры телескопа . Сегодня многие крупные научные наземные оптические телескопы включают адаптивную оптику для преодоления видимости.
Сила видения часто характеризуется угловым диаметром долгоэкспонированного изображения звезды ( диск видения ) или параметром Фрида r 0 . Диаметр диска видения представляет собой полную ширину на половине максимума его оптической интенсивности. Время экспозиции в несколько десятков миллисекунд можно считать долгим в этом контексте. Параметр Фрида описывает размер воображаемой апертуры телескопа, для которой угловое разрешение, ограниченное дифракцией, равно разрешению, ограниченному зрением. Как размер диска видения, так и параметр Фрида зависят от оптической длины волны, но обычно их указывают для 500 нанометров. Диск видения размером менее 0,4 угловых секунд или параметр Фрида размером более 30 сантиметров можно считать превосходным зрением. Наилучшие условия обычно наблюдаются в высокогорных обсерваториях на небольших островах, таких как Мауна-Кеа или Ла-Пальма .
Астрономическое наблюдение имеет несколько эффектов:
Эффекты атмосферного зрения косвенно ответственны за веру в то, что на Марсе есть каналы . [ требуется цитата ] При наблюдении за ярким объектом, таким как Марс, иногда неподвижный участок воздуха будет появляться перед планетой, что приводит к короткому моменту ясности. До использования устройств с зарядовой связью не было способа записать изображение планеты в короткий момент, кроме как заставить наблюдателя запомнить изображение и нарисовать его позже. Это имело эффект того, что изображение планеты зависело от памяти наблюдателя и предубеждений, что привело к убеждению, что Марс имеет линейные особенности.
Эффекты атмосферного видения качественно схожи во всем видимом и ближнем инфракрасном диапазонах волн. На больших телескопах разрешение изображения с большой выдержкой обычно немного выше на более длинных волнах, а временная шкала ( t 0 - см. ниже) для изменений в танцующих спекл-рисунках существенно короче.
Существует три распространенных описания условий астрономической видимости в обсерватории:
Они описаны в подразделах ниже:
Без атмосферы небольшая звезда имела бы видимый размер, « диск Эйри », на изображении телескопа, определяемом дифракцией , и была бы обратно пропорциональна диаметру телескопа. Однако, когда свет попадает в атмосферу Земли , различные температурные слои и различные скорости ветра искажают световые волны, что приводит к искажениям в изображении звезды. Эффекты атмосферы можно смоделировать как вращающиеся ячейки воздуха, движущиеся турбулентно. В большинстве обсерваторий турбулентность значительна только в масштабах, больших, чем r 0 (см. ниже — параметр видимости r 0 составляет 10–20 см на видимых длинах волн в наилучших условиях), и это ограничивает разрешение телескопов примерно таким же, как у космического телескопа 10–20 см.
Искажение меняется с высокой скоростью, обычно чаще, чем 100 раз в секунду. На типичном астрономическом изображении звезды с выдержкой в секунды или даже минуты различные искажения усредняются в виде заполненного диска, называемого «видимым диском». Диаметр видимого диска, чаще всего определяемый как полная ширина на половине максимума (FWHM), является мерой астрономических условий видимости.
Из этого определения следует, что видение всегда является переменной величиной, разной от места к месту, от ночи к ночи и даже переменной в масштабе минут. Астрономы часто говорят о «хороших» ночах с низким средним диаметром диска видения и «плохих» ночах, когда диаметр видения был настолько велик, что все наблюдения были бесполезны.
Полная ширина видимого диска (или просто «видимость») обычно измеряется в угловых секундах , сокращенно обозначаемых символом (″). Видимость в 1,0″ является хорошей для обычных астрономических мест. Видимость в городской среде обычно намного хуже. Хорошие ночи, как правило, ясные, холодные ночи без порывов ветра. Теплый воздух поднимается ( конвекция ), ухудшая видимость, как и ветер и облака. В лучших обсерваториях на вершине горы ветер приносит стабильный воздух, который ранее не контактировал с землей, иногда обеспечивая видимость до 0,4".
Условия астрономической видимости в обсерватории удобно описывать параметрами r 0 и t 0 .
Для телескопов с диаметрами меньше r 0 разрешение изображений с большой выдержкой определяется в первую очередь дифракцией и размером картины Эйри и, таким образом, обратно пропорционально диаметру телескопа.
Для телескопов с диаметрами больше r 0 разрешение изображения определяется в первую очередь атмосферой и не зависит от диаметра телескопа, оставаясь постоянным на значении, заданном телескопом с диаметром, равным r 0 . r 0 также соответствует масштабу длины, на котором турбулентность становится значительной (10–20 см на видимых длинах волн в хороших обсерваториях), а t 0 соответствует масштабу времени, на котором изменения турбулентности становятся значительными. r 0 определяет расстояние между приводами, необходимое в адаптивной оптической системе, а t 0 определяет скорость коррекции, необходимую для компенсации эффектов атмосферы.
Параметры r 0 и t 0 изменяются в зависимости от длины волны, используемой для астрономической съемки, что позволяет получать изображения с немного более высоким разрешением на более длинных волнах с использованием больших телескопов.
Параметр видимости r 0 часто называют параметром Фрида , названным в честь Дэвида Л. Фрида . Постоянную времени атмосферы t 0 часто называют постоянной времени Гринвуда , в честь Даррила Гринвуда.
Математические модели могут дать точную модель эффектов астрономического зрения на изображениях, полученных с помощью наземных телескопов. Три смоделированных изображения с короткой выдержкой показаны справа через три различных диаметра телескопа (как негативные изображения, чтобы более четко выделить более слабые детали — общепринятая астрономическая конвенция). Диаметры телескопов указаны в терминах параметра Фрида (определен ниже). — это обычно используемое измерение астрономического зрения в обсерваториях. На видимых длинах волн варьируется от 20 см в лучших местах до 5 см в типичных местах на уровне моря.
В действительности, рисунок пятен ( спеклов ) на снимках меняется очень быстро, так что фотографии с большой выдержкой просто покажут одно большое размытое пятно в центре для каждого диаметра телескопа. Диаметр (FWHM) большого размытого пятна на снимках с большой выдержкой называется диаметром видимого диска и не зависит от диаметра используемого телескопа (если не применяется адаптивная оптическая коррекция).
Сначала полезно дать краткий обзор базовой теории распространения оптических волн через атмосферу. В стандартной классической теории свет рассматривается как колебание в поле . Для монохроматических плоских волн, приходящих из удаленного точечного источника с волновым вектором : где — комплексное поле в положении и времени , с действительной и мнимой частями, соответствующими компонентам электрического и магнитного поля, представляет собой смещение фазы, — частота света, определяемая , а — амплитуда света.
Поток фотонов в этом случае пропорционален квадрату амплитуды , а оптическая фаза соответствует комплексному аргументу . Когда волновые фронты проходят через атмосферу Земли, они могут быть возмущены изменениями показателя преломления в атмосфере. Диаграмма в правом верхнем углу этой страницы схематически показывает турбулентный слой в атмосфере Земли, возмущающий плоские волновые фронты до того, как они попадут в телескоп. Возмущенный волновой фронт может быть связан в любой момент времени с исходным плоским волновым фронтом следующим образом: где представляет собой дробное изменение амплитуды волнового фронта, а — изменение фазы волнового фронта, вносимое атмосферой. Важно подчеркнуть, что и описать влияние атмосферы Земли, а временные шкалы для любых изменений в этих функциях будут установлены скоростью флуктуаций показателя преломления в атмосфере.
Описание природы возмущений волнового фронта, вносимых атмосферой, дается моделью Колмогорова, разработанной Татарским [2], частично основанной на исследованиях турбулентности российским математиком Андреем Колмогоровым . [3] [4] Эта модель поддерживается различными экспериментальными измерениями [5] и широко используется в моделировании астрономических изображений. Модель предполагает, что возмущения волнового фронта вызваны изменениями показателя преломления атмосферы. Эти изменения показателя преломления приводят непосредственно к фазовым флуктуациям, описываемым , но любые амплитудные флуктуации возникают только как эффект второго порядка, пока возмущенные волновые фронты распространяются от возмущающего слоя атмосферы к телескопу. Для всех разумных моделей атмосферы Земли на оптических и инфракрасных длинах волн мгновенная производительность получения изображений определяется фазовыми флуктуациями . Амплитудные флуктуации, описываемые , оказывают незначительное влияние на структуру изображений, наблюдаемых в фокусе большого телескопа.
Для простоты часто предполагается, что фазовые флуктуации в модели Татарского имеют гауссовское случайное распределение со следующей структурной функцией второго порядка: где — вызванная атмосферой дисперсия между фазой в 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 в терминах одного параметра : указывает на силу фазовых флуктуаций, поскольку он соответствует диаметру круглой апертуры телескопа, при котором атмосферные фазовые возмущения начинают серьезно ограничивать разрешение изображения. Типичные значения для наблюдений в диапазоне I (длина волны 900 нм) на хороших участках составляют 20–40 см. также соответствует диаметру апертуры, для которого дисперсия фазы волнового фронта, усредненная по апертуре, приближается приблизительно к единице: [6]
Это уравнение представляет собой общепринятое определение параметра, часто используемого для описания атмосферных условий в астрономических обсерваториях.
можно определить из измеренного профиля C N 2 (описанного ниже) следующим образом: где сила турбулентности изменяется в зависимости от высоты над телескопом, а — угловое расстояние астрономического источника от зенита (от точки непосредственно над головой).
Если предположить, что турбулентная эволюция происходит в медленных временных масштабах, то временная шкала t 0 просто пропорциональна r 0 , деленной на среднюю скорость ветра.
Флуктуации показателя преломления, вызванные гауссовой случайной турбулентностью, можно моделировать с помощью следующего алгоритма: [7] где — оптическая фазовая ошибка, вносимая атмосферной турбулентностью, R (k) — двумерный квадратный массив независимых случайных комплексных чисел, имеющих гауссово распределение около нуля и спектр белого шума, K (k) — (действительная) амплитуда Фурье, ожидаемая из спектра Колмогорова (или фон Кармана), Re[] представляет собой взятие действительной части, а FT[] представляет собой дискретное преобразование Фурье полученного двумерного квадратного массива (обычно БПФ).
Предположение, что фазовые флуктуации в модели Татарского имеют гауссовское случайное распределение, обычно нереалистично. В реальности турбулентность проявляет перемежаемость. [8]
Эти флуктуации силы турбулентности можно напрямую смоделировать следующим образом: [9] где I ( k ) — двумерный массив, представляющий спектр перемежаемости с теми же размерами, что и R ( k ) , и где представляет собой свертку . Перемежаемость описывается в терминах флуктуаций силы турбулентности . Видно, что уравнение для гауссовского случайного случая выше — это просто частный случай этого уравнения с: где — дельта-функция Дирака .
Более подробное описание астрономического наблюдения в обсерватории дается путем создания профиля силы турбулентности как функции высоты, называемого профилем. Профили обычно выполняются при выборе типа адаптивной оптической системы, которая понадобится на конкретном телескопе, или при решении, будет ли конкретное место хорошим местом для создания новой астрономической обсерватории. Обычно для измерения профиля одновременно используются несколько методов, а затем они сравниваются. Некоторые из наиболее распространенных методов включают:
Существуют также математические функции, описывающие профиль. Некоторые из них являются эмпирическими подгонками из измеренных данных, а другие пытаются включить элементы теории. Одна из распространенных моделей для континентальных массивов суши известна как Hufnagel-Valley в честь двух исследователей этой темы.
Первым ответом на эту проблему была спекл-визуализация , которая позволяла наблюдать яркие объекты с простой морфологией с угловым разрешением, ограниченным дифракцией. Позже появились космические телескопы , такие как космический телескоп Хаббл НАСА , работающие за пределами атмосферы и, таким образом, не имеющие никаких проблем с зрением и впервые позволяющие наблюдать слабые цели (хотя и с худшим разрешением, чем спекл-наблюдения ярких источников с наземных телескопов из-за меньшего диаметра телескопа Хаббла). В настоящее время самые высокие разрешения видимых и инфракрасных изображений получаются с помощью оптических интерферометров, таких как прототип оптического интерферометра ВМС или Кембриджский телескоп с синтезированной оптической апертурой , но их можно использовать только для очень ярких звезд.
Начиная с 1990-х годов многие телескопы разработали адаптивные оптические системы, которые частично решают проблему зрения. Лучшие из созданных на сегодняшний день систем, такие как SPHERE на ESO VLT и GPI на телескопе Gemini, достигают коэффициента Штреля 90% на длине волны 2,2 микрометра, но только в пределах очень небольшой области неба за раз.
Более широкое поле зрения можно получить, используя несколько деформируемых зеркал, сопряженных с несколькими высотами атмосферы, и измеряя вертикальную структуру турбулентности с помощью метода, известного как мультисопряженная адаптивная оптика.
Другая более дешевая техника, lucky imaging , дала хорошие результаты на небольших телескопах. Эта идея восходит к довоенным наблюдениям невооруженным глазом моментов хорошей видимости, за которыми последовали наблюдения планет на кинопленке после Второй мировой войны . Техника основана на том факте, что время от времени влияние атмосферы будет незначительным, и, следовательно, при записи большого количества изображений в реальном времени можно выделить «удачное» превосходное изображение. Это происходит чаще, когда количество пятен размера r0 над зрачком телескопа не слишком велико, и, следовательно, техника не работает для очень больших телескопов. Тем не менее, она может превзойти адаптивную оптику в некоторых случаях и доступна любителям. Она требует гораздо больше времени наблюдения, чем адаптивная оптика для получения изображений слабых целей, и ограничена в своем максимальном разрешении. [ необходима цитата ]
Большая часть текста выше взята (с разрешения) из книги «Удачные экспозиции: дифракционно-ограниченные астрономические изображения в атмосфере » Роберта Найджела Таббса.