Sve strane matrice

Sve strane matrice

Marat Musin
"Popularna mehanika" № 5, 2016

Astronomi na Kitt-Peak Observatory pokušavaju uvesti alternativu adaptivnoj optici – CCD-ima s ortogonalnim prijenosom naboja.

Na pozadini legendarnog teleskopa Mayall i najveći svjetski spektrograf, koji rade u zvjezdarnici vrha Kitt, WIYN teleskop nije tako grandiozan i mogao bi biti izgubljen. Međutim, najnovije tehnologije korištene na njemu stavljaju ga u skladu s najambicioznijim instrumentima zemaljske astronomije.

Naziv WIYN teleskopa samo je zbirka početnih pisama svojih četiriju članova: Sveučilište Wisconsin u Madisonu (W), Sveučilište Indiana u Bloomingtonu (I), Yale University (Y) i Nacionalni optički astronomski opservatorij (N). Od 2014. godine, Yale je napustio konzorcij, a njegovo mjesto je preuzeo Sveučilište Missouri, ali ime ostaje

Pijesak i kamen

Na cijelom planetu nema toliko mnogo mjesta na kojima su se najbolji i najbolji geografski i klimatski uvjeti razvili za astronome-promatrače. Ovo je suha čileanska pustinja Atacame, gdje se nalaze četiri divizora od 8.2 metra VLT zvjezdarnice i nekoliko milimetarskih teleskopa ALMA.Ovo je planina Mauna Kea na Havajima, gdje postoji više teleskopa nego na bilo kojem drugom vrhu planeta, a na gorju Antarktika, gdje je 10 metara Južni pole teleskop, Sonoran pustinja na granici SAD-a i Meksika također se nalazi u istom redu: ovdje djeluje Nacionalni opservatorij Kitt Peak.

Sonora, jedna od najvećih, suhih i vrućih pustinja Sjeverne Amerike, zauzima područje nekoliko država. Ovdje živite Indijanci plemena Papago – "Tohono-Oodham", "ljudi pustinje", blizu Pima ljudi. Planina Kitt-Peak iznad terena (na lokalnom jeziku Oodham – Loligam) još uvijek je sveta za njih, ali ne toliko daleko od vrha Babokvivari. Stoga, za razliku od domovine Havaja, koji su nedavno blokirali izgradnju novog 30-metarskog teleskopa na Mauni Kei, Indijci su iznajmili zemljište na Kitt Peaku prije više od pola stoljeća po vrlo prihvatljivoj cijeni od četvrtine dolara po hektaru. Novi ugovor potpisan početkom XXI. Stoljeća ostavio je ove uvjete na snazi ​​i omogućio modernizaciju teleskopa. Zaposlenici zvjezdarnice mogu sigurno planirati rad desetljećima, bez straha od problema s Indijancima.

Nedostatak obližnjih gradova smanjuje onečišćenje svjetlosti neba, nadmorska visina od 2000 m nadmorske visine smanjuje debljinu atmosfere iznad zvjezdarnice, a sušna klima osigurava oko 260 "čistih" bezbojnih noći godišnje (72%). Danas, na obroncima Kitt Peak, poput "gljiva" na palmi, "kapice" od 26 teleskopa čvrsto su locirane. Planina je otvorena za posjetitelje, a svatko, a ne nužno astronom, može zaobići ovaj teritorij. Glavna stvar nije stvaranje buke, budući da natpisi za njegu podsjećaju na: "Zadržite šutnju: astronomi spavaju tijekom dana".

Utjecaj različitih slojeva atmosfere na sliku zvijezde

Antene i ogledala

Ciklopski teleskop MayallNazvana po drugom ravnatelju zvjezdarnice, Nicholas Meiola, najveći je optički teleskop na Kitt Peaku i jedan od 20 najvećih na svijetu. Njegovo glavno zrcalo od 4 metra i 15 tona, iako radi zajedno s najmodernijom opremom, još uvijek omogućuje provođenje izvanrednih zapažanja. Teleskop je radio od ranih sedamdesetih i na vrijeme je pomogao proučiti pokrete udaljenih galaksija, otkrivajući ulogu tamne tvari u širenju svemira.

U blizini je solarni teleskop. McMath – Pierce – najveći svjetski koronagraph. Njegov ogledalo je instaliran pod toranj od 30 metara, u "bunaru", ostavljajući još 60 metara duboko u planinu. Takav dizajn "mina" eliminira sekundarno ogledalo i uklanja problem zaštite od dijela svjetlosnog toka, skriva teleskop od jakih vjetrova i kapi temperature. Ne bez razloga, preko 60 godina rada, ovaj alat nam je omogućio promatranje spektralnih linija bora, helija, fluora i vode na Suncu.

Osim toga, Kitt-Peak ima dva radio teleskopa, od kojih je jedan uključen u mrežu Vrlo dugo polazno polje (VLBA). Kombinirajući desetak takvih alata koji se nalaze u Sjevernoj i Južnoj Americi, Havaji i Njemačkoj, mreža djeluje kao jedan radio interferometar s super-dugim – više od 8.000 km – bazom i velikom rezolucijom. VLBA teleskop također je uključen u rad još većeg radijskog interferometra međunarodnog programa Radioastron, od kojih je jedan oružje ruski satelit Spektr-R, koji je u orbiti s nadmorskom visinom od 350.000 km.

WIYN nije najvidljiviji na prvi pogled teleskopa na planini, ali najmlađi: vidio je "prvo svjetlo" 1994. godine. Njegovo zrcalo ima promjer od 3,5 m, ali s obzirom na kvalitetu slike, lako se raspravlja s 6 metara Mayall, WIYN se može nazvati biserom Kitt-Peak, a biser samog teleskopa je njegova neobična CCD matrica koja vam omogućuje drastično poboljšanje kvalitete slike.

Izbjeglice zvijezda

U jednom trenutku, astronomi su koristili fotografske ploče za snimanje zvijezda i nebeskih tijela. Pojava CCD matrica u astronomskim promatranjima (kao na slici) napravila je pravu revoluciju, ali glavni problemi nisu se temeljito promijenili. Činjenica je da su astronomski objekti dosadni, tako da, unatoč velikim promjerima zrcala teleskopa, duge ekspozicije su potrebne za njihovu fotografiju. I oni su mobilni, što je upravo postao problem s takvim pucnjavom.

Dnevno gibanje zvijezda na nebu može se nadoknaditi korištenjem sustava vođenja koji rotiraju teleskop u sinkronizaciji s rotacijom Zemlje. Međutim, postoje izobličenja koja se ne mogu nadoknaditi na taj način. Svi optički teleskopi temeljeni na tlu imaju isti nedostatak: promjenjiva atmosfera našeg planeta nepravilno i nepredvidljivo odvaja svjetlosne valove koji dolaze iz udaljenih astronomskog objekta, zamagljuje i iskrivljuju rezultirajuću sliku.

Kako bi se riješio ovaj problem, teleskopi moraju biti izvedeni iz atmosfere ili opremljeni adaptivnim optikom (AO) sustavima. Pomoću deformirajućih zrcala koja mijenjaju geometriju signala upravljačkog sustava, AO vam omogućuje djelomično kompenziranje izobličenja uvedenih turbulencijom Zemljine atmosfere. Kao povratne informacije, AO koristi slike referentnih zvijezda – stvarnih ili umjetnih, "lit" pomoću laserske zrake na rubu atmosfere, na nadmorskoj visini od oko 90 km. Ova je tehnologija vrlo skupo čak i prema standardima opservatorija, koji ponekad koštaju milijarde dolara. Da, i ta naknada ima svoje ograničenje: naročito, daleko je od idealne cjelokupnog vidnog polja. Zato se može razumjeti želja astronoma da se bave razgradnjom slike pomoću jeftinijih alternativa i poboljšanja.

CMOS vs CCD

Na konvencionalnoj fotografiji, CCD-ovi gotovo su zamijenjeni matricama zasnovanim na tehnologiji komplementarne tehnologije metal-oksid-poluvodič-CMOS. Ova tehnologija omogućuje integriranje matrice fotosenzitivnih detektora i digitalne elektronike na jedan čip za obradu dobivenog signala.U CMOS matricama, uklanjanje signala odvija se iz skupa piksela paralelno i istodobno. To, osobito, omogućuje da ne čekaju kraj izloženosti i da prima podatke u stvarnom vremenu. Međutim, za profesionalnu astronomiju u nekim slučajevima još je više prikladan i profitabilniji za korištenje dobrih starih CCD-a – prvenstveno zbog vrlo niske razine buke na visokoj razini osjetljivosti.

Lijevo desno i gore-dolje

Jedna od ovih alternativa bila je CCD s ortogonalnim prijenosom slike (Ortogonalni prijenos CCD, OTCCD), čija je ideja predložena oko 20 godina od strane Paul Schechtera i njegovih kolega na Massachusetts Institute of Technology (MIT). Podsjetimo da se tradicionalna CCD matrica (CCD) sastoji od niza fotoosjetljivih stanica koje akumuliraju naboj pri registraciji fotona koji padaju na njih. Kada je ekspozicija završena (i samo tada), troškovi se redom, jedan za drugim, čitaju. Stanica stanica svakog reda prenosi se na čitač, koji pretvara analogni signal u digitalni. Ako se izvor zračenja u procesu snimanja i akumulacije matrice CCD naboja pomakne, njegova će slika biti "razmazana" u nekoliko ćelija. Vraćanje izvornog oblika bit će gotovo nemoguće.

Nasuprot tome, troškovi tijekom izlaganja OTCCD matrice nisu jednostavno akumulirani u njihovim stanicama, već se mogu premjestiti na sljedeću – lijevo-desno i gore-dolje. To se postiže pomoću naredbe kontrolnog sustava koji pomoću pojedinačnih nezavisnih senzora prati lokaciju neke referentne zvijezde (kao u sustavima s AO). Čim sustav uoči da se orijentir pomaknuo, širi se kretanje prema susjednim pikselima i "prisiljava" sve njihove optužbe da se vrate. Deseci puta u sekundi, slika "lebdi", optužbe skaču na susjedne piksele, a upravljački sustav hvata i vraća ih na mjesto.

S lijeve strane – klasična CCD matrica: piksel se sastoji od nekoliko vrata linearno raspoređenih. Kod čitanja, kontrolni napon se naizmjenično (ciklički) primjenjuje na vrata, što uzrokuje akumulirane troškove (elektrone) da se kreću u jednom (i samo jednom) smjeru, kao u transporteru. S desne strane – verzija OTCCD matrice s ortogonalnim prijenosom. Njegovi pikseli već se sastoje od četiri vrata različite geometrije, koja vam omogućuje pomicanje napunjenosti u dvije okomite smjera.

To vam omogućuje da nadoknadite utjecaj atmosferske turbulencije, vibracija teleskopa, pogreške u praćenju zvijezde i postizanje izvrsne rezolucije. Prve takve matrice sastojale su se od samo 512 x 512 elemenata, ali su već pokazali izvrsne rezultate: kutna razlučivost instrumenata povećala se uvelike, a omjer signala i šuma se povećao.

Dostupna skupina 64 ortogonalnih prijenosnih matrica – OTA

Sljedeća generacija OTCCD već je čitav niz matrica – OTA (Ortogonalni raspored prijenosa). Svaki od njih ima svoj vlastiti neovisni sustav kontrole prijenosa naboja i može koristiti svoju referentnu zvijezdu, što omogućava postizanje vrlo učinkovite kompenzacije finog podrhtavanja gotovo u cijelom polju gledišta. Istodobno, OTA ne isključuje paralelnu primjenu i prilagodljivu optiku. Isti WIYN teleskop je također opremljen AO sustavom, a njegov glavni instrument, ODI kamera (Jedan stupanjski slikar) ima 30 OTA polja od 64 matrica od 480 × 496 piksela svaka.

Parcijalno punjeni OTCCD polja WIYN teleskopa. U toj konfiguraciji (devet matrica u sredini i četiri na rubovima) teleskop je radio u prve dvije godine. Danas je njihova brojka dosegla 30

Šutnja i inspiracija

Uz niz OTA matrica na WIYN teleskopu, postoje i spektrograf i kamera za opažanja u infracrvenom području, tako da ne čudi da je raspored svojih zapažanja ispunjen nekoliko mjeseci unaprijed. Znanstvene interese astronoma koji rade s njim vrlo su široki: traženje i potvrda novih egzoplaneta, detaljna studija nadzora supernova, promatranje udaljenih klastera galaksija i prašina repova asteroida …

Ali ne samo znanstvenici rade s WIYN teleskopom. Ovdje je stalno zaposleno nekoliko tehničara, koji nadgledaju njegovo stanje, napunjuju ga tekućim dušikom, a noćni operater pomaže da napravi opažanja: alat je preskup i teško je povjeriti astronomima cijelu noć. Takav rad nije prikladan za sve – potrebno je ostati budna cijelu noć, svakih 20 minuta, preusmjeravajući teleskop na novu točku i odvlačiti previše oholosti učenika s upravljačke ploče. Ali neki su čak i zadovoljeni: tijekom takvih promatranja susreo sam operatera koji tijekom pauze piše knjige znanstvene fantastike. Tišina i pustinje, pustinjske planine i bliski prostor – uvijek nadahnjuju.


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: