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 (d 0 ) die de ooglens toelaat b,c) zien door een vergrootglas f b) c) door de afstand waarop we nog scherp kunnen zien te verkleinen, is de hoek waaronder we het voorwerp zien vergroot 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 brandvlak OCULAIR 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 met 1/f = (n-1)(1/r 1-1/R 2 ) geldt voor dunne lens in lucht, n = brekingsindex glas, R 1 en R 2 kromtestralen v.d. lens Senioren Academie 5
wat met een lens kan, kan ook met een spiegel holle spiegel voorwerp beeld Voor lenzen èn spiegels geldt: 1/v + 1/b = 1/f bolle lens brandpuntsafstand beeldafstand voorwerpsafstand 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
vlak Newton Cassegrain DE SPIEGELTELESCOOP lenzen groter dan ~ 1 m zijn niet meer te maken alle grote astronomische telescopen zijn daarom spiegeltelescopen verschillende typen: parabolisch Maksutov hyperbolisch parabolisch meniscus corrector sferisch Gregory Schmidt elliptisch parabolisch 4e-graads corrector sferisch Senioren Academie 8
(primair focus) FOCI VAN GROTE TELESCOPEN Nasmyth focus grote telescopen hebben meestal meer dan één focus positie zo kunnen meer instrumenten tegelijk gemonteerd worden Cassegrain focus het Coudé-focus is belangrijk bij het interferometrisch koppelen van meerdere telescopen Coudé focus voorbeeld: layout van een VLT-telescoop Senioren Academie 9
vroege Nederlandse bijdragen aan de ontwikkeling van telescoop / microscoop / optica 1608 Lipperhey eerste telescoop: Hollandse kijker (patentaanvraag 2 okt. 1608) ~ 1610 Jansen eerste samengestelde microscoop 1621 Snellius optische brekingswet 1609 Galilei: eerste telescoop waarnemingen van de hemel 1637 Descartes Dioptrique ~ 1655 Huygens verbeterde slijptechniek lenzentelescopen polarisatie eerste grote verbeterd oculair golftheorie van het licht dubbelbreking en ~ 1675 v.leeuwenhoek eerste microscopen met sterke vergroting toegang tot de microcosmos! Senioren Academie 10
Newton 1668 Hevelius 1673 Herschel 48 1789 Rosse 72 1847 Mt Wilson 100 1917 vanaf ~ 1970 revolutie op gebied van telescopen: 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 golfkarakter van het licht buigingsbegrensd het beeld van een ster is dan het zuivere buigingspatroon D = 1 D = 2 grootte hangt af van telescoopdiameter D en golflengte : = 0.5 micron (zichtbaar licht) 1 1/2 = 1.0 micron (nabij infrarood) een 2x grotere telescoop concentreert dus 4x meer licht in een 4x kleiner oppervlak! 2 1 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.) een golffrontsensor een snelle computer principe golffrontsensor Senioren Academie 17 TO CAMERA / INSTRUMENT
voorbeeld van verbetering beeldscherpte door adaptive optics (AO): zonder AO: met AO: Senioren Academie 18
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) 0.45 0.90 2.2 5.0 isoplanatische hoek 1.5 3.5 10 27 V grensmagn. NGS 8 11 14 17 sky coverage met NGS 10-6 0.01% 1% 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 ) Vb. 2: spiraalstelsel M51 zichtbaar licht komt vooral van jonge hete sterren infrarood licht komt vooral van stof en moleculen de 21-cm straling van atomair waterstofgas is veel uitgestrekter! Senioren Academie 29
Vb. 3: Centaurus-A giant elliptical met actief centrum (zwart gat) opname bij 3 golflengtes door röntgen-satelliet CHANDRA Röntgen + optisch + radio Senioren Academie 30
MAAR: veel straling komt niet door de aardatmosfeer heen Senioren Academie 31 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 Senioren Academie 33 deze opvolger van Hubble krijgt drie Europees-Amerikaanse instrumenten aan boord voor golflengten van 0.5-30 micron
MIRI: JWST camera+ spectrograaf voor golflengten 5-25 micron groot deel van spectrograaf werd gebouwd door NOVA/ASTRON groep in Dwingeloo 40 cm Senioren Academie 34
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 Melkwegcentrum in het infrarood positie van het centrale zwarte gat veld 33x33 resolutie 0.25 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 VISIR achter VLT-telescoop THALES Zwolle 13 nov. 09 # 33 Nr.3 VLT technicus spectrograaf 3 spectrale resoluties (R): R N Q low 350 125 medium 3500 1750 high 25000 12500 Senioren Academie 37
en wat komt er na de Very Large Telescope? de Extremely Large Telescope! Senioren Academie 38 ESO werkt hard aan het ontwerp van een ELT met 40 meter hoofdspiegel, opgebouwd uit ~ 1000 kleinere spiegels 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