interferometrie mit mehreren teleskopen astronomie mit höchster winkelauflösung
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen Astronomie mit höchster Winkelauflösung. Oskar von der Lühe Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik Freiburg. Inhalt. Fundamentals of interferometry Concepts of interferometry (contd.) Practical interferometry. Grundlagen der Interferometrie - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen
Astronomie mit höchster Winkelauflösung
Oskar von der LüheKiepenheuer-Institut für Sonnenphysik
Freiburg
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 2
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 3
Inhalt
• Fundamentals of interferometry
• Concepts of interferometry (contd.)
• Practical interferometry
• Grundlagen der Interferometrie
• Praktische Konzepte
• Beispiele
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 4
Was ist Interferometrie?
• Überlagerung von elektromagnetischen Wellen– bei „optischen“ Wellenlängen– Infrarot: = 20 µm ... 1µm– sichtbar: = 1 µm ... 0.38 µm
• die von einer Quelle ausgehen und• verschiedene Wege durchlaufen• um ihre räumlich-zeitlichen Kohärenzeigenschaften zu
messen
• Ziel– Überwindung der beugungsbegrenzten Winkelauflösung eines
Teleskops durch kohärente Vereinigung mehrerer getrennter Teleskope
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 5
Beugungsbegrenzte Abbildung
D
D
FX
44.2
Teleskopöffnung
Brennweite F
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 6
Young‘sches Interferenzexperiment
SourceMask
Screen
Durchmesser D
Basis B
Brennweite F
Wellenlänge
B
Fx
D
FX
44.2
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 7
Zwei-Element Interferometer I
Änderung der
Basislänge
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 8
Zwei-Element Interferometer II
Änderung Element-
Durchmesser
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 9
Zwei-Element Interferometer
III
Änderung der
Wellenlänge
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 10
Position der Quelle
SourceMask
Screen
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 11
Zwei-Element Interferometer IV
Änderung der
Quellenposition
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 12
Interne Verzögerung
SourceMask
Screen
delay
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 13
Zwei-Element Interferometer V
Änderung der internen
Verzögerung
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 14
Zwei-Element Interferometer VI
Breitbandiges Spektrum einer
Punktquelle
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 15
Zwei-Element Interferometer VII
Breitbandiges Spektrum und
interne
Verzögerung
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 16
Ausgedehnte Quellen
SourceMask
Screen
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 17
Zwei-Element Interferometer VII
Ausgedehnte Quelle -
Doppelstern
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 18
Zwei-Element Interferometer VII
Ausgedehnte Quelle - Sternscheibe
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 19
Ausgedehnte Quellen - Eindeutigkeit
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 20
Beispiel:
„Pupil Masking“ am ESO/NTT
Programmstern Referenzstern
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 21
Beispiel:
„Pupil Masking“ am ESO/NTT
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 22
van Cittert - Zernike Theorem
2D Fourier transform of source intensity at angular frequency B/ (visibility function)
Instrumental cosine term
Observed Intensity
Response to a point source in direction of
dB
jIz
xBj
dz
xBjIxI
2exp2expRe
2expRe
Source intensity
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 23
Bestandteile eines Interferometers
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 24
WavelengthSource of radiation Stars
(Teff = 5 103 K)Gas, dust
(T = 100 K)Interstellarhydrogen
Telescope type Diameter /Baseline [m]
= 0.5 µm = 10 µm = 21 cm
Optical standardtelescope
1 5 10-7 rad0.1 arcsec
10-5 rad2 arcsec
-
Optical largetelescope
10 5 10-8 rad0.01 arcsec
10-5 rad2 arcsec
0.021 rad72 arcmin
OpticalInterferometer
100 5 10-9 rad0.001 arcsec
10-5 rad2 arcsec
2.1 10-3 rad7.2 arcmin
Radio-Interferometer
104 - - 2.1 10-5 rad4.3 arcsec
Radio VLBI 107 - - 2.1 10-8 rad4.3 mas
Welche Basislänge braucht man für welche Winkelauflösung?
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 25
Projizierte Basislänge
baseline Bik telescope ktelescope i
to source
projected baseline Bik‘
geometric delay wik
1/2 ik
beamsplitter and detectors
delay line i delay line k
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 26
Array-Konfiguration und Erdrotations-Synthese
ESO VLT Interferometer - Cerro Paranal, Chile
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 27
Array-Konfiguration und Erdrotations-Synthese
VLTI - 4 Unit telescopes, Quelle bei = -30°
VLTI - 4 Unit telescopes plus 4 Auxiliary telescopes
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 28
Array-Konfiguration und Erdrotations-Synthese
Abhängigkeit des VLTI „Wurstmusters“ von der Deklination (+10°, -10°, -30°, -50°, -70°)
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 29
Messbare Größen und Observablen
Die gemessene Größe ist der „korrelierte Fluss“ bei der Wellenlänge und der Winkelfrequenz ikik Bu
dujIuI ikFOV
ik 2expˆFourier-Komponente derQuellenintensität:
dI
dujI
I
uIV
FOV
ikFOVik
ik
2exp
0ˆ
ˆKomplexe Kontrastfunktion:
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 30
Year Scientist Remarks 1868 H. Fizeau Proposal to use masks to increase telescope resolution 1870 E. Stephan Marseille 80cm reflector with strip mask 1890 A. Michelson Diameters of Jovian satellites (Lick) 1921 A. Michelson, F. Pease Diameter measurement of Ori with 20 ft.
interferometer on Mt. Wilson Hooker telescope 1935 F. Pease Mt. Wilson 50 ft. interferometer (unsuccessful) 1956 R. H. Brown, R. Twiss Intensity Interferometer 1970 A. Labeyrie Stellar Speckle Interferometry 1973-1975 A. Labeyrie Interferometry w. independent telescopes (24cm) 1974 M. Johnson et al. Heterodyne interferometry at 10 µm 1985 A. Labeyrie Interferometry w. independent telescopes (150cm) 1988-1993 M. Shao et al. Production-line interferometry 1990 J. Baldwin et al. Phase-closure imaging of Ori surface 1995 J. Baldwin et al. Multiple telescopes imaging of Capella 2001 M. Shao et al. "First fringes" with Keck Imaging Interferometer Array 2001 A. Glindemann et al. "First fringes" with VLT Interferometer siderostats
Meilensteine in der optischen InterferometrieMeilensteine in der optischen Interferometrie
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 31
Program (Nation) No. of. Baselines
Max Baseline [m] Element Diameter [m]
Year of Operation
GI2T (F) 3 65 1.52 1985 - 2006
ISI (USA)1 1 35 1.65 1988
COAST (GB) 6 100 0.40 1992
SUSI (AUS) 1 640 0.14 1992
IOTA (USA) 3 45 0.45 1993 - 2006
NPOI (USA) 3 (6, 15)2 250 0.35 1995
PTI (USA) 1 110 0.45 1996
MIRA-II (JN) 1 4 0.20 1999
CHARA (USA) 10 350 1.00 2000
VLTI (EUR) 6 / 3 / 63 128 / 2004 8 / 1.8 2001
KIIA (USA) 1 / 6 / 153 75 / 1804 10 / 1.5 2001
MRO (USA) 6 400 2.5 2010
LBT (USA/I/D)5 1 20 8 2005
Heutige InterferometerHeutige Interferometer
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 32
Keck Interferometer Array, USA
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 33
image courtesy Bertrand Koehler
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 34
images courtesy Keck Observatory
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 35
VLT Interferometer, EUR
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 36
VLTI Delay Lines
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 37
VINCI - VLTI Commissioning Instrument
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 38
VLTI - Mid-Infrared Instrument (MIDI)
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 39
AMBER
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 40
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 41
Sterndurchmesser
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 42
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 43
Zirkumstellare Scheiben
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 44
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 45
Stellare Oberflächen
700 nm (WHT) 905 nm (COAST) 1290 nm (COAST)
Drei Karten von Ori (Betelgeuse), Nov. 1997
pictures courtesy COAST
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 46
Mehrfach-Sterne
Capella im Abstand von 15 Tagen
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 47
Stellare Hüllen
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen 48