OPTISCHE TELESCOPEN
Senioren Academie Leeuwarden 11 februari 2013 Jan Willem Pel
pupil diam. D: variabel 2 tot 8 mm
HET MENSELIJK OOG
OPTISCH CENTRUM van CORNEA + LENS + GLASACHTIG LICHAAM
effectieve brandpuntsafstand: f = 24.3 mm 17 mm
‘openingsverhouding’ bij zien in het donker: f:3 bij helder licht: f:12
beeldscherpte in macula (‘gele vlek’): 1 boogminuut = 1 cm op 33 m Senioren Academie 2
Stap 1: VERGROOTGLAS d
a)
a) zien met het blote oog op de kortste afstand (d0) die de ooglens toelaat
b,c) zien door een vergrootglas door de afstand waarop we nog scherp kunnen zien te verkleinen, is de hoek waaronder we het voorwerp zien vergroot
f
b) c)
als het vergrootglas een brandpuntsafstand f heeft, is de vergroting M d / f
maar: dit werkt alleen bij voorwerpen die dichtbij zijn
Senioren Academie 3
1608: uitvinding van DE TELESCOOP de lenzen-telescoop (refractor): intreepupil D OCULAIR brandvlak uittreepupil d
OBJECTIEF
F
f
a
Neem voorwerp op ‘oneindig’, met hoekgrootte brandpuntsafstand objectief: F brandpuntsafstand oculair: f hoekvergroting: M = F/f = tan/tan = D/d
plaats uittreepupil: a = (F+f).(f/F)
de uittreepupil is de herafbeelding van de intreepupil door het oculair
Senioren Academie 4
v
b
beeldvorming door een lens kun je beschrijven door de lens opgebouwd te denken uit kleine prismas NB: met bolvormige (sferische) lensoppervlakken komen de stralen nooit exact in één punt samen: er zijn beeldfouten (aberraties), zoals bijv. kleurschifting (denk aan prisma’s!) die beeldfouten kunnen verbeterd worden door meervoudige lenzen of met meer ingewikkelde (a-sferische) lensvormen
lensformule:
1/v + 1/b = 1/f
geldt voor dunne lens in lucht, Senioren Academie 5
met
1/f = (n-1)(1/R1-1/R2)
n = brekingsindex glas, R1 en R2 kromtestralen v.d. lens
wat met een lens kan, kan ook met een spiegel
holle spiegel
beeld voorwerp
Voor lenzen èn spiegels geldt:
1/v + 1/b = 1/f
brandpuntsafstand beeldafstand voorwerpsafstand
bolle lens
Senioren Academie 6
SPIEGELS
parabool, hyperbool en ellips hebben exacte focuspunten veel spiegeltelescopen gebruiken daarom combinaties van parabolische, hyperbolische en elliptische spiegels parabool parallele bundel evenwijdig aan de as komt samen in één focus al toegepast in eerste spiegeltelescoop van Newton, 1668
hyperbool
stralen gericht op één focus komen samen in het andere
ellips stralen vanuit één focus komen samen in het andere Senioren Academie 7
DE SPIEGELTELESCOOP Newton
lenzen groter dan ~ 1 m zijn niet meer te maken alle grote astronomische telescopen zijn daarom
spiegeltelescopen verschillende typen: Maksutov vlak
parabolisch
Cassegrain
hyperbolisch
parabolisch
meniscus corrector
sferisch
Schmidt
Gregory
parabolisch elliptisch 4e-graads corrector Senioren Academie 8
sferisch
(primair focus)
FOCI VAN GROTE TELESCOPEN
Nasmyth focus grote telescopen hebben meestal meer dan één focus positie zo kunnen meer instrumenten tegelijk gemonteerd worden het ‘Coudé-focus’ is belangrijk bij het interferometrisch koppelen van meerdere telescopen
Cassegrain focus
Coudé focus
voorbeeld: layout van een VLT-telescoop
Senioren Academie 9
vroege Nederlandse bijdragen aan de ontwikkeling van telescoop / microscoop / optica 1608 Lipperhey ~ 1610 Jansen
eerste telescoop: ‘Hollandse kijker’ (patentaanvraag 2 okt. 1608) eerste samengestelde microscoop
1621 Snellius
optische brekingswet
1637 Descartes
‘Dioptrique’
~ 1655 Huygens lenzentelescopen
verbeterde slijptechniek eerste grote verbeterd oculair golftheorie van het licht dubbelbreking en
polarisatie ~ 1675 v.Leeuwenhoek eerste microscopen met sterke vergroting toegang tot de microcosmos!
Senioren Academie 10
1609 Galilei: eerste telescoop waarnemingen van de hemel
Newton 1668
Hevelius 1673
Herschel 48” 1789
Rosse 72” 1847
vanaf ~ 1970 revolutie op gebied van telescopen: Mt Wilson 100” 1917
Palomar 200” 1949
betere waarneemsites grotere +betere optiek door ‘active optics’ correctie van ‘seeing’ met ‘adaptive optics’ nieuwe golflengte gebieden door ruimte-telescopen electronische detectoren computers
Senioren Academie 11
1e vereiste: een goede waarneemplek die zijn schaars! de ESO Very Large Telescope (VLT) op Cerro Paranal op de achtergrond vulkaan Llullaiaco (6739 m, 200 km afstand !)
condities voor optische waarnemingen zijn hier ideaal Senioren Academie 12
een van de vier 8.2-m telescopen van de VLT: zicht op achterkant hoofdspiegel cel ( 11 m)
stap 2: nauwkeurige telescoop-optiek bij grote spiegels vereist dat
‘active optics’ de spiegelvorm wordt voortdurend tot op 1/25 micron nauwkeurig bijgesteld de spiegelcel moet daarom extreem stabiel zijn ! voorkant spiegelcel met zijn 150 actieve draagpunten
Senioren Academie 13
een van de twee 10-m Keck telescopen op Mauna Kea (Hawaii) hier is de hoofdspiegel een mozaiek van kleinere spiegels die allemaal met ‘active optics’ in de juiste vorm worden gehouden
Senioren Academie 14
ideale telescoop: beeld alleen bepaald door
D=2
golfkarakter van het licht ‘buigingsbegrensd’ het beeld van een ster is dan het zuivere ‘buigingspatroon’ D=1 grootte hangt af van telescoopdiameter D en golflengte : = 0.5 micron (zichtbaar licht)
= 1.0 micron (nabij infrarood)
1/2
1
2
1
een 2x grotere telescoop concentreert dus 4x meer licht in een 4x kleiner oppervlak !
Senioren Academie 15
MAAR:
voor telescopen op de grond is ‘seeing’ spelbreker !
Seeing ontstaat door beweging van warme/koude luchtbellen in de atmosfeer. Hierdoor wordt het telescoopbeeld versmeerd. in plaats van dit:
zien we dit:
1 boogseconde ("): 1 cm op 2 km afstand
Zelfs op bergen met de allerbeste seeing wordt zo de beeldscherpte op zijn best ~1/2 boogseconde, ongeacht de telescoop-grootte.
Senioren Academie 16
Voor grote telescopen is dat VEEL slechter dan buigings-begrensde beeldscherpte: 8-m telescoop 0.5: 0.013"
‘ADAPTIVE OPTICS’ ‘seeing’ vervormt binnenkomende golffronten beeldonscherpte
Babcock (1967): buigingsbegrensde beeldscherpte kan hersteld worden met: een snel vervormbare spiegel ( > 100x per sec.)
principe golffrontsensor
een ‘golffrontsensor’ een snelle computer
Senioren Academie 17
TO CAMERA / INSTRUMENT
voorbeeld van verbetering beeldscherpte door adaptive optics (AO): zonder AO:
Senioren Academie 18
met AO:
VOOR ADAPTIVE OPTICS ZIJN ‘GUIDE STARS’ NODIG ‘NATURAL GUIDE STARS’ (NGS) ZIJN NIET ALTIJD BESCHIKBAAR bij 0.75”seeing in V filter (golfl. 0.5 micron, ‘visueel’):
golflengte (micron) isoplanatische hoek V grensmagn. NGS sky coverage met NGS
0.45 1.5” 8 10-6
0.90 3.5” 11 0.01%
2.2 10” 14 1%
5.0 27” 17 50%
OPLOSSING: PROJECTEER EEN ‘KUNST-STER’ HOOG IN DE ATMOSFEER D.M.V. EEN LASER
TEST MET LASER GUIDE STAR SYSTEEM ‘GLAS’ OP 4.2-m HERSCHEL TELESCOPE, LA PALMA
Senioren Academie 19
sept. 2004: eerste foto van een exoplaneet ‘bruine dwerg’ 2M1207 met zijn planeet (massa ~ 5x Jupiter) opname: ESO-VLT in nabij-infrarood met AO-systeem ‘NACO’
de kracht van adaptive optics
sept. 2008: eerste foto van een exoplaneet bij een Zon-achtige ster 1RXSJ 160929.1-210524 met planeet opname: Gemini telescoop (Hawaii) met AO-instrument ‘NIRI’ de planeet met massa ~ 8x Jupiter beweegt op ~ 330 AU rond zijn zon Senioren Academie 20
30
Senioren Academie 21
20
SWEDISH SOLAR TELESCOPE, LA PALMA
15-7-’02 G-band
WITH ADAPTIVE OPTICS; RESOLUTION 0.1 (80 km)
Senioren Academie 22
ZELFDE BEELD ZONDER ADAPTIVE OPTICS RESOLUTIE 1” (800 km)
voor nog hogere beeldscherpte: INTERFEROMETRIE met meerdere telescopen op langere basislijnen Vb. 1: de Large Binocular Telescope
twee 8.4-m telescopen op één montering geeft basislijnen tot 22.8 m, geen ‘delay lines’nodig!
LBT 50% USA, 25% Italië, 25% Duitsland Mt.Graham (3267 m), Arizona first light met beide M1’s en M2’s: januari 2008 Senioren Academie 23
Senioren Academie 24
de Large Binocular Telescope in zijn koepel
Vb.2: de VLT INTERFEROMETER
het licht van de vier 8.2-m telescopen en de drie mobiele 1.8-m telescopen wordt gecombineerd in de
VLT-Interferometer daarmee bereikt men de beeldresolutie van een 160-m telescoop: 0.001” bij = 1 micron Senioren Academie 25
een van de door TNO-TPD en Fokker/Dutch Space gebouwde ‘delay lines’ voor de VLT-Interferometer
optische interferometrie vergt het uiterste van de techniek ! MIDI: instrument voor interferometrie bij golflengten rond 10 micron
MIDI in het VLT-Interferometer lab. alleen de warme vooroptiek is zichtbaar, het instrument zelf zit in de gekoelde vacuumtank, rechtsachter Senioren Academie 26
SOMS GAAT HET NIET IN DE EERSTE PLAATS OM HOGE RESOLUTIE, MAAR OM EEN GROOT GEZICHTSVELD OOK DAT VEREIST SPECIALE TELESCOPEN
Senioren Academie 27
MEEST SPECTACULAIRE VOORBEELD: LARGE SYNOPTIC SURVEY TELESCOPE
LSST : 8.4-m hoofdspiegel gezichtsveld 3.5 camera: 200x16 Mpix = 3.2 Gpix 6 filters; hele hemel in 3 nachten site: Cerro Pachon, Chili (2700 m, bij Cerro Tololo) operationeel: 2018 ?
astronomen willen bij alle golflengten kunnen meten omdat het heelal er bij elke golflengte anders uitziet Vb. 1:
HH46/47: geboorte van een ster
in het infrarood
zelfde gebied (4x kleiner) in zichtbaar licht:
IRAC 3.6 (blue), 4.5+5.8 (green), 8.0 m (red) Senioren Academie 28
21-cm radiokaart (schaal 2x groter )
de 21-cm straling van atomair waterstofgas is veel uitgestrekter !
Vb. 2: spiraalstelsel
M51 zichtbaar licht komt vooral van jonge hete sterren
infrarood licht komt vooral van stof en moleculen Senioren Academie 29
Vb. 3: Centaurus-A ‘giant elliptical’ met actief centrum (zwart gat)
Röntgen + optisch + radio
opname bij 3 golflengtes door
röntgen-satelliet CHANDRA
Senioren Academie 30
Senioren Academie 31
MAAR: veel straling komt niet door de aardatmosfeer heen
HUBBLE
voor de korte golflengten (UV, Röntgen/Gamma straling) en voor grote delen van het infrarood moeten we de ruimte in
HERSCHEL helium-gekoelde 3.5-meter telescoop voor het verre infrarood gelanceerd 14-5-’09 samen met PLANCK, een 1.5-m telescoop voor de kosmische achtergrondstraling
Senioren Academie 32
JWST 1:1 schaalmodel consortium meeting Dublin 2008
JWST
in 2017 wordt de 6.5-meter James Webb Space Telescope gelanceerd deze opvolger van Hubble krijgt drie Europees-Amerikaanse instrumenten aan boord voor golflengten van 0.5 - 30 micron
Senioren Academie 33
MIRI: JWST camera+ spectrograaf voor golflengten 5-25 micron groot deel van spectrograaf werd gebouwd door NOVA/ASTRON groep in Dwingeloo
Senioren Academie 34
40 cm
6 van de 18 JWST spiegel-elementen op weg naar de testkamer
MIRI is klaar ! Senioren Academie 35
de atmosfeer geeft golflengte beperkingen, maar toch kunnen veel metingen beter vanaf de grond gedaan worden dan in de ruimte
veld 33x33” resolutie 0.25” positie van het centrale zwarte gat
Melkwegcentrum in het infrarood SPITZER 8 micron
VLT-VISIR: detailopname 120x uitvergroot !
in 3 filters: 8.8 micron (blauw): PAH moleculen 12.8 micron (groen): geioniseerd Neon gas
veld 1.9x1.4 resolutie 2.5”
19.5 micron (rood): stof Senioren Academie 36
VISIR gebouwd door SAP(Saclay) en ASTRON (Dwingeloo) buigings-begrensde beeldscherpte in de ‘N’ en ‘Q’ atmosfeervensters golflengten 7.5-13 en 15 -28 micron
camera veel filters, 3 vergrotingen: 0.075 /pixel veld 19x19 0.125 32x32 0.200 51x51
spectrograaf 3 spectrale resoluties (R): R ‘low’ ‘medium’ ‘high’
VISIR achter VLT-telescoop Nr.3 THALES Zwolle 13 nov. ’09 # 33
N Q 350 125 3500 1750 25000 12500 Senioren Academie 37
VLT technicus
en wat komt er na de Very Large Telescope? de Extremely Large Telescope ! ESO werkt hard aan het ontwerp van een ELT met 40 meter hoofdspiegel, opgebouwd uit ~ 1000 kleinere spiegels Senioren Academie 38
doel: d.m.v. adaptive optics buigingsbegrensd maken bij golflengte van 1 micron beeldresolutie 0.005 ! !
ELT: hoofdspiegel 39.3 m 984 segmenten van 1.45 m M2: 6 m 5-spiegel systeem, waarvan M4 adaptive 9 stations voor instrumenten
beeldschaal in Nasmyth focus: 1”= 3.6 mm site: Cerro Armazones (3060 m) 20 km van VLT Senioren Academie 39
Senioren Academie 40
alles aan de ELT wordt ‘extremely large’ !
HUBBLE ULTRA DEEP FIELD veld:1% van opp. volle maan 10000 melkwegstelsels belichtingstijd: 14 dagen
Senioren Academie 41
