Coronógrafo

Imaxe coronográfica do Sol

Un coronógrafo é un accesorio telescópico deseñado para bloquear a luz directa dunha estrela para que se poidan resolver os obxectos próximos – que doutro xeito estarían ocultos no brillo brillante da estrela – A maioría dos coronógrafos están destinados a ver a coroa do Sol, pero unha nova clase de instrumentos conceptualmente similares (chamados coronógrafos estelares para distinguilos dos coronógrafos solares) están a ser usados para atopar planetas extrasolares e discos circunestelares ao redor de estrelas próximas, así como galaxias hóspedes en quásares e outros obxectos similares con núcleos galácticos activos (AGN).

Invención

O coronógrafo foi introducido en 1931 polo astrónomo francés Bernard Lyot; desde entón, os coronógrafos utilizáronse en moitos observatorios solares. Os coronógrafos que operan dentro da atmosfera terrestre sofren de luz dispersa no propio ceo, debido principalmente á dispersión da luz solar de Rayleigh na parte superior da atmosfera. En ángulos de visión próximos ao Sol, o ceo é moito máis brillante que a coroa de fondo mesmo en lugares de grande altitude en días claros e secos. Os coronógrafos terrestres, como o coronógrafo Mark IV do Observatorio de Grande Altitude enriba de Mauna Loa, usan polarización para distinguir o brillo do ceo da imaxe da coroa: tanto a luz coronal como o brillo do ceo son luz solar dispersa e teñen propiedades espectrais similares. pero a luz coronal está dispersa por Thomson case nun ángulo recto e, polo tanto, sofre polarización de dispersión, mentres que a luz superposta do ceo preto do Sol está dispersa só nun ángulo de ollada e, polo tanto, permanece case non polarizada.

Deseño

Coronografía no Observatorio Wendelstein

Os instrumentos coronógrafos son exemplos extremos de rexeitamento da luz perdida e fotometría precisa porque o brillo total da coroa solar é inferior á millonésima parte do brillo do Sol. O brillo aparente da superficie é aínda máis débil porque, ademais de entregar menos luz total, a coroa ten un tamaño aparente moito maior que o propio Sol.

Durante unha eclipse solar total, a Lúa actúa como un disco de oclusión e calquera cámara no camiño da eclipse pode funcionar como coronógrafo ata que a eclipse remate. Máis común é unha disposición na que se imaxina o ceo nun plano focal intermedio que contén un punto opaco; este plano focal é reimaxinado nun detector. Outra disposición é imaxinar o ceo nun espello cun pequeno buraco: a luz desexada reflíctese e finalmente reimaxinase, pero a luz non desexada da estrela atravesa o burato e non chega ao detector. De calquera xeito, o deseño do instrumento debe ter en conta a dispersión e a difracción para asegurarse de que a menor cantidade posible de luz non desexada chegue ao detector final. O principal invento de Lyot foi unha disposición de lentes con topes, coñecidas como Lyot stops, e deflectores de tal xeito que a luz dispersada pola difracción se enfocaba nos topes e deflectores, onde podía ser absorbida, mentres que a luz necesaria para obter unha imaxe útil non lles faltaba.

Como exemplos, os instrumentos de imaxe do telescopio espacial Hubble e do telescopio espacial James Webb ofrecen capacidade coronagráfica.

Coronógrafo con banda limitada

Un coronógrafo con banda limitada usa un tipo especial de máscara chamada máscara limitada por banda. Esta máscara está deseñada para bloquear a luz e tamén xestionar os efectos de difracción causados pola eliminación da luz. O coronógrafo limitado por bandas serviu como deseño de base para o coronógrafo cancelado Terrestrial Planet Finder. As máscaras limitadas por bandas tamén estarán dispoñibles no telescopio espacial James Webb .

Coronógrafo de máscara de fase

Un coronógrafo de máscara de fase (como o chamado coronógrafo de máscara de fase de catro cuadrantes) usa unha máscara transparente para cambiar a fase da luz estelar co fin de crear unha interferencia autodestrutiva, en lugar dun simple disco opaco para bloquear iso.

Coronógrafo de vórtex ou vórtice óptico

Un coronógrafo de vórtice óptico usa unha máscara de fase na que o cambio de fase varía de forma azimutal ao redor do centro. Existen varias variedades de coronógrafos de vórtice óptico:

• o coronógrafo de vórtice óptico escalar baseado nunha rampla de fase gravada directamente nun material dieléctrico, como a sílice fundida.
• o coronógrafo de vórtice vector(ial) emprega unha máscara que xira o ángulo de polarización dos fotóns, e aumentar este ángulo de rotación ten o mesmo efecto que aumentar un cambio de fase. Unha máscara deste tipo pódese sintetizar mediante diversas tecnoloxías, que van desde o polímero de cristal líquido (a mesma tecnoloxía que na televisión 3D) até as superficies microestructuradas (utilizando tecnoloxías de microfabricación da industria microelectrónica). Este coronógrafo de vórtices vectoriais feito de polímeros de cristal líquido está en uso actualmente no telescopio Hale de 200 polgadas do Observatorio Palomar. Recentemente foi operado con óptica adaptativa para imaxes de planetas extrasolares.

Isto funciona con estrelas distintas do sol porque están tan lonxe que a súa luz é, para este fin, unha onda plana espacialmente coherente. O coronógrafo que usa interferencia enmascara a luz ao longo do eixe central do telescopio, pero permite que a luz de obxectos fóra do eixe pase.

Coronógrafos por satélite

Os coronógrafos no espazo exterior son moito máis efectivos do que serían os mesmos instrumentos se se atopasen no chan. Isto débese a que a ausencia total de dispersión atmosférica elimina a maior fonte de brillo presente nun coronógrafo terrestre. Varias misións espaciais como SOHO da NASA - ESA e SPARTAN da NASA, Solar Maximum Mission e Skylab utilizaron coronógrafos para estudar os límites exteriores da coroa solar. O Telescopio Espacial Hubble (HST) é capaz de realizar coronografía usando a cámara de infravermellos próximos e o espectrómetro multi-obxecto (NICMOS), e o telescopio espacial James Webb (JWST) é capaz de realizar a coronografía usando a cámara de infravermellos próximos (NIRCam). ) e Instrumento de infravermellos medios (MIRI).

Aínda que os coronógrafos baseados no espazo como LASCO evitan o problema do brillo do ceo, afrontan desafíos de deseño na xestión da luz perdida baixo os estritos requisitos de tamaño e peso dos voos espaciais. Calquera bordo afiado (como o bordo dun disco de ocultación ou a apertura óptica) provoca a difracción de Fresnel da luz entrante ao redor do bordo, o que significa que os instrumentos máis pequenos que un querería nun satélite inevitablemente escapan máis luz que os máis grandes. O coronógrafo LASCO C-3 utiliza tanto un oculto externo (que proxecta sombra sobre o instrumento) como un oculto interno (que bloquea a luz perdida que se difracta por Fresnel ao redor do ocultismo externo) para reducir esta fuga, e un complicado sistema de deflectores para eliminar a dispersión da luz dispersa polas superficies internas do propio instrumento.

Planetas extrasolares

O coronógrafo adaptouse recentemente para a difícil tarefa de atopar planetas arredor das estrelas próximas. Aínda que os coronógrafos estelares e solares son similares en concepto, son bastante diferentes na práctica porque o obxecto a ocultar difire nun factor dun millón en tamaño aparente lineal. (O Sol ten un tamaño aparente duns 1900 segundos de arco, mentres que unha estrela próxima típica pode ter un tamaño aparente de 0,0005 e 0,002 segundos de arco. ) A detección de exoplanetas semellantes á Terra require un contraste 10. Para conseguir tal contraste requírese unha estabilidade optotérmica extrema.

Imaxe directa de exoplanetas arredor da estrela HR8799 usando un coronógrafo de vórtices vectoriales nunha porción de 1,5 m do telescopio Hale

Estudou un concepto de coronógrafo estelar para o voo na misión cancelada Terrestrial Planet Finder. Nos telescopios terrestres, un coronógrafo estelar pódese combinar con óptica adaptativa para buscar planetas arredor das estrelas próximas.

En novembro de 2008, a NASA anunciou que se observou directamente un planeta orbitando arredor da estrela próxima Fomalhaut. O planeta puido verse claramente nas imaxes tomadas polo coronógrafo da Cámara avanzada para enquisas do Hubble en 2004 e 2006. A zona escura oculta pola máscara coronógrafa pódese ver nas imaxes, aínda que se engadiu un punto brillante para mostrar onde estaría a estrela.

Até o ano 2010, os telescopios só podían obter imaxes directamente dos exoplanetas en circunstancias excepcionais. En concreto, é máis doado obter imaxes cando o planeta é especialmente grande (considerabelmente maior que Xúpiter), moi separado da súa estrela nai e quente, polo que emite unha intensa radiación infravermella. Non obstante, en 2010 un equipo do Jet Propulsion Laboratory da NASA demostrou que un coronógrafo de vórtices vectoriais podería permitir que pequenos telescopios capturasen directamente os planetas. Fixérono tomando imaxes dos planetas HR 8799 previamente capturados usando só unha porción de 1.5 m do Telescopio Hale.

Véxase tamén

Outros artigos

• Telescopio
• Telescopio solar
• Telescopio Hubble
• Telescopio espacial James Web
• New Worlds Mission - Unha proposta de coronógrafo externo

Ligazóns externas

• Visión xeral das tecnoloxías para a imaxe óptica directa dos exoplanetas, Marie Levine, Rémi Soummer, 2009
• "Telescopio de Sun Gazer". Popular Mechanics, febreiro de 1952, pp. 140–141. Debuxo recortado do primeiro tipo de coronógrafo utilizado en 1952.
• Coronógrafos de vórtices vectoriais ópticos usando polímeros de cristal líquido: teoría, fabricación e demostración de laboratorio Óptica Infobase
• The Vector Vortex Coronagraph: Laboratory Results and First Light no Palomar Observatory IopScience
• Máscara de fase de ranura anular Coronagraph IopScience
• Esta ligazón mostra unha imaxe HST dun disco de po que rodea unha estrela brillante, coa estrela oculta polo coronógrafo. [1]