Vývoj celodiskového dalekohledu pro EST M. Sobotka a M. Klvaňa, Astronomický ústav AV ČR, v.v.i., Ondřejov, ČR Z. Melich a Z. Rail, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i., Turnov, ČR Abstrakt: V současné době probíhá vývojová studie evropského čtyřmetrového slunečního dalekohledu EST, jejíž stav shrnujeme v úvodu. Součástí studie je i návrh celodiskového dalekohledu AFDT, rozpracovávaný v AsÚ a ÚFP AV ČR. Tento dalekohled o průměru 150 mm bude sloužit k orientaci pozorovatele na slunečním disku a v jeho okolí, k navádění hlavního dalekohledu EST na vybraný objekt, k přesnému měření souřadnic a ke korekcím souřadnicového systému EST. AFDT bude rovněž použitelný jako samostatný robotický dalekohled pro synoptická pozorování sluneční aktivity. V příspěvku popisujeme současný stav návrhu speciální mechanické konstrukce AFDT, optického systému a principů řídícího systému dalekohledu.
1. ÚVOD V současné době probíhá třetí, závěrečný, rok vývojové studie koncepce čtyřmetrového Evropského slunečního dalekohledu EST [1, 2]. Na této studii se podílí 29 vědeckých a průmyslových organizací z devíti evropských zemí (Česká republika, Francie, Itálie, Německo, Nizozemsko, Slovensko, Španělsko, Švédsko a Velká Británie). Práci na studii koordinuje španělský Instituto de Astrofísica de Canarias. Studie je financována Evropskou unií pod 7. Rámcovým programem. Po vývojové studii by měla v letech 2011 – 2013 následovat fáze detailního návrhu a pak vlastní stavba dalekohledu na Kanárských ostrovech (2014 – 2019), která bude financována převážně z národních a regionálních zdrojů. Předběžný návrh EST (obr. 1) počítá s aperturou 4 m a výslednou ohniskovou vzdáleností 200 m. Jeho optický systém (obr. 2) bude tvořen celkem 14 zrcadly tak, aby bylo možné přímo kompenzovat instrumentální polarizaci a otáčení obrazu. Součástí optického systému bude multikonjugovaná adaptivní optika (MCAO), která bude schopna korigovat atmosférickou degradaci obrazu ve výškách 0, 5, 9, 15 a 30 km. Dalekohled bude poskytovat obraz s úhlovým rozlišením 0,04" (30 km na povrchu Slunce) v zorném poli 2'×2'. Mechanická koncepce je založena na alt-azimutální montáži s elevační osou umístěnou pod hlavním zrcadlem. Pohyblivá část přístroje bude stát na asi 30 m vysoké věži a bude chráněna plně otevíratelnou skládací kopulí (obr. 1).
Obr. 1: Předpokládaná podoba slunečního dalekohledu EST na Kanárských ostrovech (© EST Project).
Obr. 2: Koncepce optického systému EST. M1 a M2 – hlavní a sekundární zrcadlo, F1 – primární ohnisko s chlazenou clonou vymezující zorné pole, MCAO – zrcadla adaptivní optiky (© EST Project).
201
Dalekohled bude napájet dvě početné skupiny postfokálních přístrojů, jednu pro vizuální a druhou pro blízkou infračervenou část spektra. V každé skupině budou širokopásmové filtry pro přímé zobrazení v různých vlnových délkách, úzkopásmové laditelné filtry (Fabry-Pérotovy etalony) pro 2D spektropolarimetrii a klasický mnohokamerový spektrograf s možnostmi 2D spektroskopie, který bude pro tento účel vybaven vláknovou optikou, systémem MSDP a dalšími moderními doplňky. 2. CELODISKOVÝ DALEKOHLED AFDT Zorné pole EST je příliš malé pro orientaci pozorovatele na slunečním disku. Proto je nutné vybavit EST dalším dalekohledem, který zobrazí celý sluneční disk včetně aktuálních aktivních jevů ve fotosféře a chromosféře. Tento dalekohled, nazvaný Auxiliary FullDisc Telescope (AFDT) je vyvíjen ve spolupráci Slunečního oddělení Astronomického ústavu AV ČR a Odděleni optické diagnostiky Ústavu fyziky plazmatu AV ČR [3].
4. MECHANICKÁ KONCEPCE AFDT Protože celodiskový dalekohled bude provádět přesná poziční měření a bude mimo jiné používán jako referenční souřadnicový systém pro EST, jeho mechanická struktura musí být velmi tuhá a stabilní. Ukazuje se, že je výhodné umístit AFDT samostatně (obr. 3), nezávisle na pohyblivých částech hlavního dalekohledu, ale v dostatečné výšce nad zemí, aby obraz nebyl rušen přízemním seeingem. Funkce synoptických pozorování dále vyžaduje umístění mimo kopuli EST tak, aby bylo možné s AFDT pozorovat i tehdy, kdy je hlavní dalekohled mimo provoz a kopule je zavřena. Mechanická koncepce AFDT je založena na kompaktním tubusu, který se otáčí kolem podélné osy A1 rovnoběžné s polární osou (obr. 4). Světlo ze Slunce je do tubusu odráženo rovinným zrcadlem M1, které je otočné kolem deklinační osy A2 kolmé k A1. Naklánění zrcadla M1 umožňuje pozorovat zónu ±26° kolem nebeského rovníku. Celá tato konfigurace představuje ekvatoreální montáž, která má tu výhodu, že se obraz Slunce během pozorování neotáčí.
3. ZÁKLADNÍ FUNKCE AFDT Vyvíjený celodiskový dalekohled musí zajistit pozorovateli rychlou a pohodlnou orientaci na Slunci, přesné navedení hlavního dalekohledu EST na zvolený objekt, zobrazení aktivních jevů a záznam jejich vývoje. Proto bude vybaven následujícími základními funkcemi: Vizualizace slunečního disku a jeho okolí, včetně protuberancí v chromosférických čarách. Simultánní zobrazování v bílém světle a čarách Hα (656 nm) a Ca II K (393 nm) nebo H (397 nm). Bílé světlo poskytuje informaci o fotosféře, Hα o chromosféře a Ca II K (H) dává přibližnou představu o rozložení magnetických polí. Identifikace objektu a navádění hlavního dalekohledu EST na tento objekt. Zobrazení aktuální polohy a rozsahu zorného pole EST.
Obr. 3: Příklad umístění AFDT na jižní stěně věže EST.
Absolutní poziční měření v různých souřadnicových systémech. Kontrola a aktualizace souřadnicového systému hlavního dalekohledu EST. Automatický záznam historie sluneční aktivity (synoptická pozorování). V určených časových intervalech budou ukládány nejlepší obrazy v bílém světle, Hα a Ca II K (H).
Obr. 4: Mechanická koncepce AFDT. A1 – polární osa, A2 – deklinační osa, B1, B2 – ložiska, M1 – rovinné zrcadlo.
Automatická detekce erupcí, jejich lokalizace a záznam vývoje.
202
5. OPTICKÝ NÁVRH AFDT Optický návrh vychází z požadavků na funkce AFDT. Sluneční disk (střední průměr 32') a jeho nejbližší okolí je zobrazován v kruhovém zorném poli o průměru 72'. Na detektorech čtvercového tvaru je výsledné zorné pole 51' × 51'. Z požadovaného úhlového rozlišení 1" vyplývá průměr objektivu 150 mm. Filtry vymezující pozorované spektrální oblasti jsou umístěny v kolimovaných svazcích, aby byla zajištěna jejich optimální činnost. Základní optické schéma je na obr. 5. Před hlavním objektivem je umístěn tepelný a neutrální filtr a rovinné zrcadlo 300 × 160 mm, jehož funkce je popsána v oddílu 3. Hlavní objektiv L1 o průměru 150 mm má primární ohniskovou vzdálenost 2 m. Je navržen buď jako jednoduchý dublet nebo jako čtyřčočkový teleobjektiv, který by v případě nutnosti umožnil zkrácení konstrukční délky AFDT z 3,3 m na 2,6 m. Za primárním ohniskem následuje kolimátor L2 a dělič, který rozděluje světlo do tří svazků. Filtr pro bílé světlo má šířku propustnosti 5 nm se středem na 456 nm. Komerčně dostupné úzkopásmové filtry pro chromosférické čáry mají průměr 32 mm a šířky propustnosti 0,2−0,3 nm (Ca II K/H) a 0,05−0,07 nm (Hα). Zobrazovací objektivy L3, L4 a L5 jsou navrženy jako kvadruplety zajišťující kompenzaci optických vad a dosažení difrakčního limitu zobrazení v celém zorném poli. Efektivní ohnisková vzdálenost AFDT f' závisí na velikosti čipů použitých detektorů. Například, pro detektory o velikosti 60 × 60 mm f' = 2650 mm a pro čipy 28 × 28 mm f' = 1550 mm. Při úhlovém rozlišení 1" je nutno obraz vzorkovat po 0,5", což definuje maximální velikost obrazového
elementu (pixelu) a zároveň počet pixelů v zorném poli 51' × 51', tj. 6120 × 6120 pixelů. Pro AFDT jsou tedy nutné detektory o velikosti 36 Mpix, které budou zároveň schopné snímat obraz s frekvencí několika snímků za sekundu. 6. ŘÍDÍCÍ SYSTÉM AFDT Požadovanou polohu slunečního dalekohledu je možno nastavit pomocí pozičního řídícího systému, pointačního řídícího systému nebo jejich kombinace. Poziční řídící systém nastavuje dalekohled podle souřadnic, vypočtených z efemerid a známých korekcí, např. modelu mechanických deformací přístroje a refrakčních tabulek. Jeho přesnost je dána znalostí potřebných korekcí, což například pro anomální refrakci může být problém. Poziční řídící systém je však použitelný bez omezení pro libovolnou vzdálenost vybraného objektu od středu slunečního disku a je nezávislý na pozorovacích podmínkách. Tímto systémem jsou řízeny moderní sluneční dalekohledy s azimutální montáží, například SST a GREGOR na Kanárských ostrovech. Pointační řídící systém určuje souřadnice pro nastavení polohy dalekohledu pomocí reálného okraje slunečního disku a úhlu denního chodu. Nevyžaduje znalost korekcí polohy dalekohledu, jeho přesnost však závisí na homogenitě atmosféry a kvalitě pozorovacích podmínek. Příchod mraku tento systém zcela vyřazuje z provozu. Kvalitní určení souřadnic je možné pouze v případě, že v zorném poli pointačního dalekohledu je celý sluneční disk. Tento systém je často využíván klasickými slunečními dalekohledy s coelostatem nebo na paralaktické montáži.
Obr. 5.: Optické schéma AFDT
203
Obr. 6: Zorné pole AFDT. Pole hlavního dalekohledu EST je vyznačeno obdélníkem. Souřadnicový systém (x, y) je vztažen ke středu zorného pole O, (ξ, η) ke středu slunečního disku C a (ξM, ηM) ke středu pole EST.
Obr. 7: Zorné pole hlavního dalekohledu EST. Objekt na souřadnicích ξS, ηS v poli AFDT (obr. 6) by se měl objevit ve středu zorného pole O. Pokud ne, ξMS, ηMS představují poziční chyby EST.
AFDT používá kombinaci obou systémů. Přibližné nastavení na Slunce a sledování jeho pohybu po obloze zajišťuje poziční řídící systém. Zároveň pointační řídící systém využívá snímků v bílém světle k výpočtu aktuálních poloh středu slunečního disku z pozic bodů celého okraje disku na čipu detektoru s přesností srovnatelnou s úhlovým rozlišením 1". Výsledkem jsou odchylky polohy středu disku od středu čipu. Jsou dvě možnosti, jak tyto odchylky dále zpracovat. Poziční řízení s aktivní pointací: Vzdálenosti mezi středem disku a středem čipu jsou převedeny na pointační signál, kterým se ovládají pohony dalekohledu. AFDT se aktivně pohybuje tak, aby udržel sluneční disk ve středu zorného pole. Výhodou této alternativy je nižší citlivost k chybám justáže a stability přístroje a k nepřesnostem korekcí pozičního systému. Nevýhodou je vliv pozorovacích podmínek a oblačnosti a problémy spojené s dynamikou odezvy pohybů dalekohledu na pointační signál. Poziční řízení s pasivní pointací: AFDT je naváděn pozičním řídícím systémem a vzdálenosti mezi středem disku a středem čipu slouží „pouze“ k aktualizaci vypočtených souřadnic. Předpokládáme zde, že odchylky středu disku od středu čipu jsou malé a že poziční řídící systém udrží celý disk v zorném poli. Výhodou této alternativy je nezávislost na pozorovacích podmínkách a oblačnosti. Protože dalekohled nevykonává pointační pohyby, je toto řešení méně náročné na mechaniku a řízení pohybů a je tedy spolehlivější. Nevýhodou jsou vyšší požadavky na mechanickou stabilitu, justáž a přesnost uložení dalekohledu. Protože navrhovaná mechanická koncepce má všechny předpoklady splnit tyto nároky, bylo poziční řízení s pasivní pointací vybráno pro realizaci.
Pokud je pozorovaný objekt vzdálen více než 10' od okraje slunečního disku, disk není celý v zorném poli a pointace se vypíná. AFDT je pak naváděn výhradně pozičním řídícím systémem podle vypočtených souřadnic. Princip korekce souřadnic AFDT v režimu pozičního řízení s pasivní pointací znázorňuje obr. 6. Na obrázku je zorné pole AFDT se slunečním diskem. Zorné pole hlavního dalekohledu EST je vyznačeno světlejším obdélníkem, v jehož středu je pozorovaný objekt. Střed čipu O je počátkem pravoúhlých souřadnic (x, y). V nich se průběžně měří poloha středu disku C, který je počátkem souřadnic (ξ, η), které jsou přes transformační vzorce svázány se systémy nebeských a heliografických souřadnic. Díky znalosti polohy středu disku xC, yC můžeme korigovat měřenou polohu objektu xS, yS na skutečnou ξS, ηS. Hlavní dalekohled EST bude naváděn pomocí vlastního pozičního řídícího systému. Pošleme-li mu souřadnice objektu ξS, ηS, měl by se objekt objevit ve středu zorného pole EST, v počátku souřadnicového systému (ξM, ηM), obr. 7. Pokud tomu tak není, představuje poloha objektu ξMS, ηMS chybu pozičního řídícího systému hlavního dalekohledu, kterou lze snadno změřit a opravit. AFDT tak může sloužit jako referenční souřadnicový systém pro navádění EST. 7. ZÁVĚR Základem navrhované koncepce celodiskového dalekohledu AFDT pro Evropský sluneční dalekohled je klasický refraktor samostatně uložený v tubusu otočném kolem polární osy. Tato mechanicky stabilní struktura umožňuje používat AFDT nejen jako hledáček, ale i jako referenční souřadnicový systém pro hlavní
204
čtyřmetrový dalekohled. Navržený optický systém se zorným polem 51' × 51' a úhlovým rozlišením 1" splňuje podmínky kvalitního zobrazení celého slunečního disku v bílém světle (450−460 nm) a v chromosférických čarách Hα a Ca II K (H). Pro řízení AFDT byl vybrán poziční řídící systém s pasivní pointací, který je málo citlivý na pozorovací podmínky, nenáročný na dynamické chování dalekohledu a tedy mnohem spolehlivější než ostatní alternativy. Umístění AFDT nezávisle na hlavním dalekohledu umožňuje používat AFDT jako samostatný sluneční synoptický dalekohled.
LITERATURA Collados, M., 2008, „European Solar Telescope (EST): project status“, Ground-based and Airborne Telescopes II, ed. L.M. Sepp a R. Gilmozzi, Proc. SPIE 7012, str. 70120J-70120J-7. Collados, M., Bettonvil, F., Cavaller-Marquez, L., Ermolli, I., a kol., 2010, „European Solar Telescope. Project status“, Ground-based and Airborne Telescopes II, ed. L.M. Sepp, R. Gilmozzi a H.J. Hall, Proc. SPIE 7733, článek 7733-13. Sobotka, M., Klvaňa, M., Melich, Z., Rail, Z., a kol., 2010, „Auxiliary full-disc telescope for the European Solar Telescope“, Groundbased and AirborneInstrumentation for Astronomy III, ed. I.S. McLean, S.K. Ramsay a H. Takami, Proc. SPIE 7735, článek 7735-69.
Poděkování: Práce byla realizována v rámci mezinárodního projektu EST Design Study, financovaného 7. Rámcovým programem EU jako grant 212482. Za podporu děkujeme těž Grantové agentuře AV ČR (grant IAA 300030808).
205
