lectures/AstroCrafts/astrocrafts03.txt

3. *** Большие телескопы и современная астрофизика ***

** наземная астрофизика **
4. Задачи, требующие построения гигантских телескопов:
	происхождение Вселенной;
	механизмы образования и эволюции звезд, галактик и планетных систем;
	физические свойства материи в экстремальных астрофизических условиях;
	астрофизические аспекты зарождения и существования жизни во Вселенной.


5. После 5-м телескопа Хейла какое-то время было затишье, которое взорвало появление телескопа БТА,
буквально опередившему свое время.
Вплоть до 1993г БТА был крупнейшим. Далее произошло еще два прорыва: 1993 - Кек-1 (Мауна Кеа), 10
метров из 36 шестиугольных сегментов (церодур); 2009 - Большой Канарский Телескоп (о. ла Пальма),
10.4м тоже 36 сегментов из церодура.
Компания Schott AG - производитель зеркал.

Совершенствование методов детектирования изображений.
6. ФЭУ - 1940-е. Значительно более высокая чувствительность, нежели у изобретенных позже
фоторезисторов и фотодиодов. Возможность счета фотонов (болометру нужно много света).
Фоторезисторы продолжают использоваться в ИК-астрономии.
Однако, первые ФЭУ были очень большими, поэтому только одноканальные. Неудобство - высокое
напряжение.

Обычные фотодиоды не нашли применения в астрофизике, однако лавинные светодиоды используются в ИК
диапазоне: германий (<1.7мкм), InGaAs (0.9..1.7мкм), HgCdTe (до 12мкм)
Светоприемники HAWAII.

7. Еще в 1930-е начали развиваться электронно-лучевые трубки.
1964, E. Luedicke, A. D. Cope, and L. E. Flory: "Astronomical Image-Integration System Using a
Television Camera Tube" - на 3-4m чувствительней фотопластинок (за то же время экспозиции).
Использовался ортикон. Экспозиция до 3 часов при охлаждении до -20\degr C.


8. Конец 1970-х - микроканальные пластины. При помощи клинополосных анодов можно достаточно точно
регистрировать место попадания электронного пучка -> получать изображения очень слабых объектов.
МКП использовались в астрофизике с 1974 года преимущественно в УФ и рентгеновском диапазоне
(космос).
1983, Siegmund, O. H. W.; Clothier, S.; Thornton, J.; Lemen, J.; Harper, R.; Mason, I. M.; Culhane,
J. L. "Application of the wedge and strip anode to position sensing with microchannel plates and
proportional counters".
1986, O. H. W. Siegmund, M. Lampton, J. Bixler, S. Chakrabarti, J. Vallerga, S. Bowyer, and R. F.
Malina, "Wedge and strip image readout systems for photon-counting detectors in space astronomy".
Микроканальные пластины планируется использовать в двух каналах (ближний и дальний УФ) космического
телескопа "ВКО-УФ" (всемирная космическая обсерватория, 1.7м зеркало f/10, геосинхронная орбита).


9. ПЗС изобретен в 1969г Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs).
Работая над полупроводниковой "пузырьковой" памятью они и изобрели устройство, способное работать
как аналоговый сдвиговый регистр.
В 1975 появилась первая цифровая камера 100х100 пикселей (Steven Sasson, Kodak).
The first KH-11 KENNAN reconnaissance satellite equipped with charge-coupled device array (800 x
800 pixels) technology for imaging was launched in December 1976.

10. Слоановский обзор SDSS (2.5м широкоугольный телескоп в Нью Мексико, снимки - 2000..2009, спектры -
с 2000 по сей день) - массив из 30 ПЗС 2kx2k, работающих в режиме скана, пока телескоп перемещается
по большим кругам на небе.
ПЗС с переносом заряда позволяют уменьшить воздействие посторонней засветки во время экспозиции:
изображение быстро перемещается в скрытую область, а затем уже стандартно считывается.

11. В конце 1980-х на базе КМОП-технологии были разработаны "активно-пиксельные"  датчики.
Основное преимущество - дешевизна. Еще плюсы - отсутствие размазывания при считывании перекопов или
через горячие пиксели. Недеструктивное считывание, произвольный доступ. Однако, квантовая
эффективность ниже, чем у ПЗС (меньше полезный размер пикселя).
ИК-детекторы на HgCdTe - КМОП.

12. Каждая ячейка - обедненный фотодиод, ключ повтора (sf - для недеструктивного считывания), ключ
сброса, ключ выбора.


13. СТП - сверхпроводящие туннельные переходы - представляют собой два сверхпроводника, разделенных
тонким изолятором. Ток проходит сквозь изолятор за счет квантового тунеллирования (джозефсоновская
ячейка).
Туннельный ток при попадании в переход фотона испытывает скачок, пропорциональный частоте фотона.
Обычно используется алюминий (температура сверхпроводимости 1.2К), а изоляцию получают простым
окислением. Используя вместо алюминия ниобий, можно повысить T до жидкого гелия (4.2К).
СТП - наиболее чувствительный приемник в диапазоне 100..1000ГГц - радиоастрономия. Кроме того, он
может работать как детектор частиц от рентгена до ИК. С начала этого века активно разрабатываются
астрономические применения.


** космическая астрофизика **
14. Если рентгеновские и гамма-телескопы запускали уже в 1970-х, то первый телескоп видимого диапазона
- только в 1989 (Hipparcos - High Precision Parallax Collecting Satellite)
за 37 месяцев работы собрал информацию более чем о миллионе звёзд.
Точность измерений для основного эксперимента (более 100 тыс. звёзд) составила 1 миллисекунду дуги.
По его данным составили каталоги  Hipparcos и Tycho

15. Самым известным, конечно, является телескоп Хаббла. Начальное (1978) финансирование в размере 36
млн долл.
К 1986 общий бюджет проекта вырос до 1.175 млрд долл
Шаттл <<Дискавери>> STS-31 стартовал 24 апреля 1990 года и на следующий день вывел телескоп на
расчётную орбиту. От начала проектирования до запуска было затрачено 2.5 млрд долл. общие расходы
на проект, по оценке на 1999 год, составили 6 млрд долл. с американской стороны и 593 млн евро,
оплаченных ЕКА (европейское космическое агентство).
Обслуживание <<Хаббла>> производилось во время выходов в открытый космос с космических кораблей
многоразового использования типа <<Спейс шаттл>>.
Всего были осуществлены четыре экспедиции по обслуживанию телескопа <<Хаббл>>, одна из которых была
разбита на два вылета.

16. Куда телескопы позволяют "заглянуть"

17. Телескоп "Кеплер" был создан исключительно для поиска экзопланет. Запущен в марте 2009. Система
Шмидта, апертура 0.95м, диаметр первичного зеркала 1.4м.
Фотометр состоит из 42 ПЗС-матриц 2200x1024 пикселей.
Общая стоимость миссии составила приблизительно 467 миллионов долларов.
Обнаружено несколько тысяч экзопланет, в т.ч. земного типа в обитаемой зоне.

Еще есть УФ, ИК и микроволновые телескопы.



** перспективные методы и направления **
* активная оптика *
18. Начиная с телескопа Кека большинство современных крупных телескопов оснащаются активной оптикой, а
среди сегментарных зеркал - 100%.
Зеркала имеют активную систему разгрузки, контролирующую общую форму зеркала при помощи детектора
качества изображения.
Детектор отслеживает опорную звезду (датчик Шака-Гартманна) и в случае изменения волнового фронта
генерирует соответствующие управляющие сигналы.
VLT: 150 актуаторов на зеркале, управляемое вторичное зеркало.. 1 сет анализа == 30 секунд (для
избавления от атмосферных эффектов). В случае отсутствия опорной звезды в кадре сигналы вычисляются
по модели (учитывающей наклон оси и температуры).

19. * спекл-интерферометрия *
Спекл-интерферометрия - предшествующий адаптивной оптике метод повышения качества изображений.
Предложен в 1970 году Антуаном Лабейри.
Как пример - восстановленное изображение "хвоста" звезды Вольфа-Райе (телескоп Кека).

20. * адаптивная оптика *
Простейший вариант - tip/tilt коррекция. Еще можно добавить коррекцию расфокусировки, если
использовать не tip-tilt зеркало или плоскопараллельную пластину, а вогнутое зеркало или линзу.
Современный использует быстрое вторичное зеркало с изменяемым профилем поверхности, датчик
Шака-Гартманна и опорную звезду. На телескопах вроде Кека можно получить качество изображени до
30-60mas.
Канадско-французско-гавайский телескоп, 3.6м.
Искусственные звезды: звезды Рэлея (ближний ИК, 15-25км высота, рассеяние Рэлея) и натриевые
(80-100км, 589нм, люминесценция натрия).

21. * Lucky imaging *
Похожа на спекл-интерферометрию короткими экспозициями, но не используется деконволюция.
1) накапливаем куб данных с экспозициями 10..50мс, 2) выбираем мгновенные снимки с наименьшим
числом Штреля, 3) корректируем tip-tilt, совмещая снимки по наиболее ярким областям, 4) усредняем. И
вместо 0.9'' получаем 40mas.


* Superresolution *
"Сверхразрешение" применяется на малых телескопах с апертурами не более характерного диаметра
атмосферных неоднородностей, в этом случае изображение хорошее, но пляшет. Это позволяет повысить
качество изображения ярких объектов лучше размера пикселя (вплоть до дифракционного предела).
Каждое изображение куба данных увеличивается (upsampling), изображения совмещаются и усредняются.