В астрономии зрение — это ухудшение изображения астрономического объекта из -за турбулентности в атмосфере Земли , которое может проявляться в виде размытия, мерцания или переменного искажения . Причиной этого эффекта является быстрое изменение оптического показателя преломления на пути света от объекта к детектору. Видимость является основным ограничением углового разрешения астрономических наблюдений с помощью телескопов , которое в противном случае было бы ограничено из-за дифракции размером апертуры телескопа . Сегодня многие крупные научные наземные оптические телескопы оснащены адаптивной оптикой для преодоления зрения.
Сила зрения часто характеризуется угловым диаметром изображения звезды на длинной выдержке ( видящего диска ) или параметром Фрида r 0 . Диаметр зрительного диска равен полной ширине на половине максимума его оптической силы. В этом контексте время экспозиции в несколько десятков миллисекунд можно считать длительным . Параметр Фрида описывает размер воображаемой апертуры телескопа, для которой угловое разрешение, ограниченное дифракцией, равно разрешению, ограниченному зрением. И размер видимого диска, и параметр Фрида зависят от оптической длины волны, но обычно их определяют как 500 нанометров. Зрительный диск размером менее 0,4 угловой секунды или параметр Фрида более 30 сантиметров можно считать отличным зрением. Лучшие условия обычно создаются в высокогорных обсерваториях на небольших островах, таких как Мауна-Кеа или Ла-Пальма .
Астрономическое видение имеет несколько эффектов:
Эффекты наблюдения за атмосферой были косвенно ответственны за веру в существование каналов на Марсе . [ нужна цитата ] При просмотре яркого объекта, такого как Марс, иногда перед планетой появляется неподвижный участок воздуха, что приводит к краткому моменту ясности. До использования устройств с зарядовой связью не было другого способа записать изображение планеты за короткий момент, кроме как заставить наблюдателя запомнить изображение и нарисовать его позже. Это привело к тому, что изображение планеты стало зависеть от памяти наблюдателя и предубеждений, которые привели к убеждению, что Марс имеет линейные характеристики.
Эффекты атмосферного видения качественно схожи во всем видимом и ближнем инфракрасном диапазонах волн. В больших телескопах разрешение изображения с большой выдержкой обычно немного выше на более длинных волнах, а временной масштаб ( t 0 - см. ниже) для изменений в узорах танцующих спеклов существенно меньше.
Есть три распространенных описания условий астрономического наблюдения в обсерватории:
Они описаны в подразделах ниже:
Без атмосферы маленькая звезда имела бы видимый размер, « диск Эйри », на изображении телескопа, определяемый дифракцией , и был бы обратно пропорционален диаметру телескопа. Однако когда свет попадает в атмосферу 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, превышающих r 0 (см. ниже — параметр зрения r 0 составляет 10–20 см на видимых длинах волн в лучших условиях), и это ограничивает разрешение телескопов примерно таким же, как данные космического телескопа диаметром 10–20 см.
Искажение меняется с высокой скоростью, обычно чаще, чем 100 раз в секунду. В типичном астрономическом изображении звезды с экспозицией в секунды или даже минуты различные искажения усредняются в виде заполненного диска, называемого «видящим диском». Диаметр зрительного диска, чаще всего определяемый как полная ширина на половине высоты (FWHM), является мерой астрономических условий наблюдения.
Из этого определения следует, что зрение — это всегда переменная величина, разная от места к месту, от ночи к ночи и даже переменная в минутном масштабе. Астрономы часто говорят о «хороших» ночах с низким средним диаметром видимого диска и о «плохих» ночах, когда видимый диаметр был настолько велик, что все наблюдения были бесполезны.
Полуширина зрительного диска (или просто «зрение») обычно измеряется в угловых секундах , сокращенно обозначаемых символом (″). Расстояние в 1,0 дюйма является хорошим для обычных астрономических объектов. Видение городской среды обычно намного хуже. Ночи, как правило, ясные, холодные, без порывов ветра. Теплый воздух поднимается вверх ( конвекция ), ухудшая зрение, как и ветер и облака. В лучших высокогорных обсерваториях на вершинах гор ветер приносит стабильный воздух, который ранее не контактировал с землей, иногда обеспечивая видимость до 0,4 дюйма.
Условия астрономического наблюдения в обсерватории удобно описывать параметрами r 0 и t 0 .
Для телескопов диаметром меньше r 0 разрешение изображений с длинной выдержкой определяется в первую очередь дифракцией и размером диаграммы Эйри и, таким образом, обратно пропорционально диаметру телескопа.
Для телескопов с диаметром 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 исполнительными механизмами, необходимое в системе адаптивной оптики , а t 0 определяет скорость коррекции, необходимую для компенсации воздействия атмосферы.
Параметры r 0 и t 0 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 зрения r 0 часто называют параметром Фрида , названным в честь Дэвида Л. Фрида . Постоянную времени атмосферы t 0 часто называют постоянной времени Гринвуда в честь Дэррила Гринвуда.
Математические модели могут дать точную модель влияния астрономических наблюдений на изображения, полученные с помощью наземных телескопов. Справа показаны три смоделированных изображения с короткой выдержкой через телескопы трех разных диаметров (как негативные изображения, чтобы более четко выделить более слабые детали - общепринятое астрономическое соглашение). Диаметры телескопов указаны в терминах параметра Фрида (определенного ниже). Это широко используемый метод измерения астрономического зрения в обсерваториях. В видимых длинах волн варьируется от 20 см в лучших местах до 5 см в типичных местах на уровне моря.
В действительности рисунок пятен ( пятен ) на изображениях меняется очень быстро, так что на фотографиях с длинной выдержкой будет видна только одна большая размытая капля в центре для каждого диаметра телескопа. Диаметр (FWHM) большого размытого пятна на изображениях с длинной выдержкой называется диаметром зрительного диска и не зависит от диаметра используемого телескопа (пока 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 поля . Для монохроматических плоских волн, приходящих от удаленного точечного источника с волновым вектором :
Поток фотонов в этом случае пропорционален квадрату амплитуды , а оптическая фаза соответствует комплексному аргументу . Когда волновые фронты проходят через атмосферу Земли, они могут возмущаться изменениями показателя преломления в атмосфере. На диаграмме в правом верхнем углу этой страницы схематически показан турбулентный слой в атмосфере Земли, возмущающий плоские волновые фронты перед тем, как они попадут в телескоп. Возмущенный волновой фронт может быть связан в любой данный момент с исходным плоским волновым фронтом следующим образом:
Описание природы возмущений волнового фронта, вносимых атмосферой, дает модель Колмогорова, разработанная Татарским [2], частично основанная на исследованиях турбулентности российского математика Андрея Колмогорова . [3] [4] Эта модель подтверждается множеством экспериментальных измерений [5] и широко используется при моделировании астрономических изображений. Модель предполагает, что возмущения волнового фронта вызываются изменениями показателя преломления атмосферы. Эти изменения показателя преломления непосредственно приводят к флуктуациям фазы, 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 качестве мгновенного изображения преобладают фазовые флуктуации . Описываемые амплитудные флуктуации оказывают незначительное влияние на структуру изображений, видимых в фокусе большого телескопа.
Для простоты часто предполагается, что фазовые флуктуации в модели Татарского имеют гауссово случайное распределение со следующей структурной функцией второго порядка:
Для гауссовского случайного приближения структурная функция Татарского (1961) может быть описана с помощью одного параметра :
Это уравнение представляет собой широко используемое определение параметра, часто используемого для описания атмосферных условий в астрономических обсерваториях.
может быть определен из измеренного профиля C N 2 (описанного ниже) следующим образом:
Если предполагается, что турбулентная эволюция происходит в медленных временных масштабах, то временной масштаб t 0 просто пропорционален r 0 , разделенному на среднюю скорость ветра.
Колебания показателя преломления, вызванные гауссовской случайной турбулентностью, можно смоделировать с помощью следующего алгоритма: [7]
Предположение о том, что фазовые флуктуации в модели Татарского имеют гауссово случайное распределение, обычно нереалистично. В действительности турбулентность демонстрирует прерывистость. [8]
Эти колебания силы турбулентности можно напрямую смоделировать следующим образом: [9]
Более подробное описание астрономического наблюдения в обсерватории дается путем построения профиля силы турбулентности в зависимости от высоты, называемого профилем . Профили обычно выполняются при принятии решения о типе системы адаптивной оптики, которая потребуется на конкретном телескопе, или при принятии решения о том, будет ли конкретное место подходящим местом для создания новой астрономической обсерватории. Обычно для измерения профиля и последующего сравнения используются несколько методов одновременно . Некоторые из наиболее распространенных методов включают в себя:
Существуют также математические функции, описывающие профиль. Некоторые из них представляют собой эмпирические обоснования измеренных данных, а другие пытаются включить элементы теории. Одна распространенная модель континентальных массивов суши известна как Долина Хуфнагель в честь двух исследователей, занимавшихся этой темой.
Первым ответом на эту проблему стала спекл-визуализация , которая позволяла наблюдать яркие объекты с простой морфологией с угловым разрешением, ограниченным дифракцией. Позже появился космический телескоп НАСА «Хаббл », работающий вне атмосферы и, таким образом, не имеющий никаких проблем со зрением и впервые позволяющий наблюдать слабые цели (хотя и с меньшим разрешением, чем спекл-наблюдения ярких источников с наземных телескопов из-за меньшего размера телескопа «Хаббл»). диаметр телескопа). Видимые и инфракрасные изображения с самым высоким разрешением в настоящее время получаются с помощью визуализирующих оптических интерферометров , таких как прототип оптического интерферометра ВМФ или Кембриджский телескоп с синтезом оптической апертуры , но их можно использовать только для очень ярких звезд.
Начиная с 1990-х годов во многих телескопах были разработаны системы адаптивной оптики , частично решающие проблему зрения. Лучшие системы, созданные на данный момент, такие как SPHERE на ESO VLT и GPI на телескопе Gemini, достигают коэффициента Штреля 90% на длине волны 2,2 микрометра, но одновременно только в очень небольшой области неба.
Более широкое поле зрения можно получить, используя несколько деформируемых зеркал, сопряженных с несколькими атмосферными высотами, и измеряя вертикальную структуру турбулентности с помощью метода, известного как мультисопряженная адаптивная оптика.
Другой более дешевый метод, Lucky Imaging , дал хорошие результаты на меньших телескопах. Эта идея восходит к довоенным наблюдениям невооруженным глазом моментов хорошего видения, за которыми последовали наблюдения планет на кинопленке после Второй мировой войны . Этот метод основан на том факте, что время от времени влияние атмосферы будет незначительным, и, следовательно, записывая большое количество изображений в реальном времени, можно выбрать «счастливое» превосходное изображение. Это происходит чаще, когда количество пятен размера r0 на зрачке телескопа не слишком велико, и, следовательно, метод не работает для очень больших телескопов. Тем не менее в некоторых случаях она может превосходить адаптивную оптику и доступна любителям. Для визуализации слабых целей требуется гораздо больше времени наблюдения, чем адаптивная оптика , и ее максимальное разрешение ограничено. [ нужна цитата ]
Большая часть приведенного выше текста взята (с разрешения) из книги Lucky Exposures: астрономические изображения атмосферы с ограниченной дифракцией Роберта Найджела Таббса.