Alta Resolución Angular en Observaciones Astronómicas

Remy Avilahttp://www.astrosmo.unam.mx/~r.avila

Centro de Radioastronomía y AstrofísicaUNAM Morelia

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Para qué la Alta Resolución Angular?

Onda plana

N : Turbulenciaóptica

Onda corrugada

~1  ’ ’

WHT

0.05  ’ ’

SN 1987A

HST

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Nociones de Frente de Onda

Campo eléctrico en 2-D:

Frente de onda:superficie de fase constante, a t dado

Frente de onda esférico: Fuente puntual, cercana. Rayos divergentes.

Frente de onda plano: Fuente puntual, al infinito. Rayos paralelos

( , ) cos ( )( )E t A t rr

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Resolución de un Telescopio Perfecto

Fuente puntual

En la pupila: Frente de onda plano

En el plano focal: imagen de la fuente

D

Para =0.5 micrasy D=2m=0.05 ’’

Ale

jand

ro M

atía

s

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Poder de Separación

Para resolver dos objetos puntuales, éstos deben estar separados por al menos la resolución del telescopio

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Medio interestelar

Un Telescopio en la Tierra

El sistema óptico de un telescopio debe considerar el medio por donde viaja la radiación.

Atmósfera terrestre

Telescopio

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Qué pasa en la Atmósfera Terrestre ?

Frente de onda es proporcional al índice de refracción del aire:

(r) deja de ser plano si el índice de refracción varía:

n = <n> + n(x,y,z)

Temperatura Humedad

n ~ (n / ) + (n / ) H

Domina en el óptico Domina en Radio

Esquema a retener:

n oH

(( ,) )n rr ( , , )x y zr

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Fluctuaciones Turbulentas de T

Se requiere: Turbulencia dinámica (fluctuación de velocidad) + Gradiente vertical de temperatura

Altitud (km)

6

9

CT2 Ri

SI

Turbulencia dinámica

NO

NO

Temperatura potencial: toma en cuenta la estratificación de la presión

Intensidad de la turbulencia de temperatura

Numero de Richardson: indicador de turbulencia dinámica

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Capas Finas de Turbulencia Óptica

Altitud (km)

0

5

15

20

CN2 ( m-2/3 )

0 6.10-16 10-16

Espesor típico de lascapas: 10 m

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Deformación del Frente de Onda

Frente de onda deformado

Aberraciones de los espejos -> Deformaciones muy lentas (10s)

Turbulencia atmosférica -> Deformaciones aleatorias y rápidas (10ms)

Ale

jand

ro M

atía

s

D

1 ms de exposiciónMotas o “speckles”

Algunos segundos de exposición“seeing”

~ 1’’

Imágenes instantaneas:

Imagen de largo tiempo de exposición:

~ 1’’

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Óptica Activa y Óptica Adaptativa

Óptica Activa: Corrige deformaciones lentas (flexiones de los

espejos por gradientes de temperatura y por gravedad).

Actuadores ejercen fuerza sobre el espejo primario. Ciclos del orden de 10s o más.

Óptica Adaptativa: Corrige deformaciones rápidas (turbulencia

atmosférica) Actuadores adaptan la forma de un pequeño espejo

terciario Ciclos del orden de 10ms.

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El Sueño de Babcock

A finales de los 60´s, Babcock publicó la idea de compensar las deformaciones del frente de onda. Era casi ciencia ficción en aquel tiempo.

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Concepto de Óptica Adaptiva

Entre más actuadores, más frecuencias espaciales altas se logran corregir.

Entre más actuadores, más rápido debe ser el ciclo sensar-corregir, porque las fecuencias espaciales altas varían más rápido que las bajas.

Duración del ciclo: ~ 10 ms Entre más corta es , más

actuadores y mayor velocidad de ciclo se requieren.

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Sensor de Frente de Onda

Cada lentecita esta asociada a una pequeña porción del frente de onda que llega al telescopio

Se mide la posición de la imagen dada por cada lentecita. Esto indica la pendiente local del frente de onda.

El tiempo de exposición para sensar el frente de onda es del orden de 1 ms !

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Cómo se Observa con Óptica Adaptiva

Estrella de referencia: Se mide el frente de onda

con una estrella puntual, brillante.

La estrella de referencia debe estar dentro del ángulo isoplanatico.

Esto condiciona las zonas del cielo obervable.

El tiempo de exposición del sensor de frente de onda impone una magnitud limite.

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Ejemplo de Resultados

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Ejemplo de Resultados

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Mejor que el Telescopio Espacial?

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Ejemplos de Resultados Astronómicos

Satélites de Jupiter: Io y Europa

=2.3 micrasTelescopio: CFHT (3.6 m)Intrumento:UH AO

Emisión térmicade volcanes en IO

http://www.ifa.hawaii.edu/ao/

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Ejemplos de Resultados Astronómicos

Neptuno

CON Óptica adaptiva SIN Óptica adaptiva

Banda JTelescopio: Keck (10 m)

Tormentaintensa

1’’

http://www2.keck.hawaii.edu:3636/realpublic/ao/ao.html

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Ejemplos de Resultados Astronómicos

GG Tau : Estella binaria joven, con discos circunestelaresy un disco circunbinario. Primera imagen de este tipo.

Banda JTelescopio: CFHT (3.6m)Intrumento:UH AO

Roddier et al. 1996http://www.ifa.hawaii.edu/ao/

Separación de labinaria: 0.25’’

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Ejemplos de Resultados Astronómicos

Centro Galáctico.

= 2.2 micrasTelescopio: KECK (10 m)

Resolución: 0.06’’

http://www2.keck.hawaii.edu:3636/realpublic/ao/ao.html

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Radiointerferometría

Como un telescopio con pupila en Y.

Resolución dada por la separación máxima. Ejemplo: para =7 mm y B= 36 km,

=0.04 ’’ El plano de la pupila se va

llenando gracias a la rotación de la Tierra.

Hasta 36 km

VLA

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Fluctuaciones de Vapor de Agua

Recordemos: en milimétrica, H N

Tropósfera: < 5 km

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Un método para corregir la fase

HH47

h

h

v El error depende de:h + v t

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Ejemplo de Resultados Astronómicos

L1551 (en Tauro) : Sistema binario de discos protoplanetarios. Primera evidencia directa.

= 7 mm Emisión de polvo.Interferómetro: VLA linea de base mayor: 36 km

Rodríguez et al., Nature 1998http://www.astrosmo.unam.mx/~luisfr/

Resolución: 0.05 ’’Discos resueltos.

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¿Cómo andamos de tiempo?

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Pilón: Espejo de 8m de Diámetro

Telescopio GeminiEspejo delgado.Precisión: 0.01 micras

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Pilón: Interferometría Óptica

Telescopios VLTDiámetro: 8m monolíticoLugar: Paranal (Chile)4 telescopios.Interferometría

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Pilón: Otro Interferómetro

Telescopios KeckDiámetro: 10m segmentadoLugar: Mauna Kea (Hawaii)2 telescopios.

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Pilón: Grandes Telescopios Modernos

Telescopios KeckSegmentos hexagonales

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Pilón: Gran Telescopio Canario

Telescopio GTCDiámetro: 10m segmentadoEn construcciónMéxico participa

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Grandes Telescopios del Futuro

Telescopios en proyecto:OWL: Europeo, 100mGSMT: Americano, 50mCELT: Estadounidense, 30m...Todos segmentados, y Planeados para la 2da décadaDel siglo.

México ya participa en la Selección del sitio.

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