Kuidas teleskoobid atmosfäärist läbi vaatavad?

Sajandeid nende leiutamisest peale on (maapinnal asuvate) teleskoopide lahutusvõimet piiranud meie planeeti ümbritseva atmosfääri turbulentsus - see mis paneb näiteks tähed öötaevas vilkuma. Seda põhjustab meie peade kohal asuvate õhukihtide erinev temperatuur ja seeläbi nende tihedus, millest omakorda sõltub nende murdumisnäitaja. Võib ette kujutada, et meie peade kohal ujub terve rida erineva kujuga läätsi, mille kuju ja ulatuse pidev muutumine muudab neid läbiva valguse muidu sirgjoonelist teekonda. Midagi sarnast võib tunnistada lõkke või päikese poolt tuliseks köetud tee kohal tekkiva virvenduse näol. Selle tulemusel näib kauge objekt meie optilistes ehk nähtavas valguses töötavates teleskoopides pidevalt kuju muutvat ja suvaliselt ringi "tantsivat" ning pikkade säriaegadega pildistamisel saab muidu teravapiirilisest objektist ebamäärane suur plärakas. Astronoomilises kõnepruugis kutsutakse atmosfääri turbulentsusest olenevaid vaatlustingimusi võõrapäraselt "seeing" või siis eesti keeles "nägemine". Ehk siis kui atmosfäär on eriti turbulentne, on ka "nägemine" halb ja vastupidi.

Selle vapustava lähivõtte Kiilu (Carina) udukogu sisealadest tehti Tšiilis paikneva 8,1 meetrise Gemini South teleskoobiga. Alumine foto näitab kuidas sama foto näeks välja ilma adaptiivse optikata. Fotol nähtavast tähetekke piirkonnast rääkisime lähemalt siin: https://www.astromaania.ee/.../kiilu-udukogu-taheteke...

Just see kehv nägemine on peamine põhjus miks näiteks kõrgel atmosfääri kohal tiirlev Hubble suudab võrreldes maapealsete teleskoopidega teha kümneid kordi teravamaid fotosid. Mis sest, et Hubble 2,4 meetrise läbimõõduga peegel on suurimate 10 meetriste teleskoopidega võrreldes kümneid kordi väiksema pindalaga.

Selle asemel, et tunnistada kaotust ja saata orbiidile rida hirmkalleid kosmoseteleskoope, kasutavad astronoomid kavalaid meetodeid, kuidas mugaval maapinnal asudes jäädvustada fotosid, mis võiksid juba nüüdseks üle 20 aastase Hubblega võistelda või sellest teatud juhtudel isegi mööduda.

Neist esimene üldlevinum on niinimetatud "lucky imaging" ehk siis kohmakas tõlkes "õnnelikud jäädvustused", kus objekti vaadeldakse pika aja jooksul ning valitakse välja harvad hetked, mil nägemine on juhuslikult eriti hea. Neid kaadreid liites ja kujutisi üksteise suhtes nihutades on mõnel juhul isegi saavutatud lahutusvõimeid, mis liginevad teleskoopide teoreetilisele maksimumile. Taoline tehnika on professionaalide kõrval saadaval ka amatööridele ja leiab laialdast kasutust näiteks Kuu, Päikese ja planeetide pildistamisel.

Siiani suurima lahutusega maapealne infrapuna-foto Jupiterist, milleks kasutati Hawaiil asuvat Gemini 8,1 meetrist teleskoopi ja "lucky imaging" tehnikat, kus sadadest üliväikse säriajaga tehtud lähifotodest valiti välja kõige teravamad ning kleebiti hiljem suuremaks kokku. Soojuskiirguses tehtud fotod lubavad astronoomidel näha sügavamale hiidplaneeti täies ülatuses katva pilvkatte alla, kust kumab läbi planeedi sisemusest kiirguv soojus.

Suuremalt: https://apod.nasa.gov/.../2005/JupiterIR_Gemini_1400.jpg

Teine viimastel kümnenditel professionaalsel tasemel üha sagedamini kasutatav tehnika kannab adaptiivse (kohanduva) optika nime. Selleks suunatakse vaadeldava objekti lähistele laser või laserid, mille lainepikkused on timmitud ergastama atmosfääri ülemistes kihtides sisalduvat naatriumit, mis on sinna sattunud meteooridega. Tänu sellele tekib teleskoobi vaatevälja kunsttäht või -tähed, mille teoreetiline suurus, kuju ja asukoht on väga hästi teada. Võrreldes teooriat näiva tegelikkusega, on võimalik väga täpselt kindlaks teha atmosfääri hetkeseis ning teleskoobi painduvat peegli kuju sadu või isegi tuhandeid kordi sekundis muutes neid reaalajas tühistada.

Üks Tšiili mägedes asuva Väga Suure Teleskoobi (VLT) neljast 8,2 meetrisest teleskoobist, mis kasutab vaatlemisel nelja laserit/kunsttähte. Teleskoobi taustal paistavad Väike ja Suur Magalhaesi Pilv - Linnuteest paarisaja tuhande valgusaasta kaugusel tiirlevad kääbusgalaktikad. Foto: Juan Carlos Muñoz / ESO

Kunsttähtede asemel võib võimalusel kasutada ka paraja heledusega tavalisi tähti ja/või kombineeritakse seda õnneliku jäädvustuse meetodiga. Tänu adaptiivsele optikale on astronoomidel õnnestunud otseselt jäädvustada isegi teiste tähtede ümber tiirlevaid planeete - vägitükk, mida on võrreldud sääse pildistamisega tuhandete kilomeetrite kaugusel asuva lambipirni ümber ja mis oli alles paarkümmend aastat tagasi mõeldamatu.

Meist 63 valgusaasta kaugusel asuva väga noore Beeta Pictorise tähe ümber tiirlev hiidplaneet (valge laik keskel asuva tähe lähistel), mis asub tähest veidi kaugemal kui Saturn Päikesest. Pilt koosneb kahest fotost. Välimine, mis kujutab noort tähte ümbritsevat rusuketast on tehtud ESO 3,6 meetrise teleskoobiga. Sisemise osa pildistamiseks kasutati VLT 8,2 meetrist teleskoopi. Mõlemad teleskoobid kasutavad adaptiivset optikat.

Nagu oletada võib vajavad need ja nende sarnased meetodid väga täpset mehhaanikat ja ülisuurt arvutusvõimsust. See seletab ühtlasi miks maailma suurimatest maja-mõõtu teleskoopidest pärinevad andmed läbivad oma teel ümbritsevast universumist meie ekraanidele maja-mõõtu superarvuteid. Me elame vaatleva astronoomia mõttes huvitaval ajal ja üha huvitavamaks läheb. Näiteks selle aasta oktoobris plaanitakse viimaks üles saata James Webbi nime kandev kosmoseteleskoop, mis uhkeldab 6,5 meetrise peegliga ning Tšiilis on hetkel ehitamisel Extremely Large Telescope (ELT), mille peapeegli läbimõõduks peaks tulema uskumatud 39,4 meetrit. 2025. aastaks valmival gigandil peaks tänu adaptiivsele optikale olema Hubblest 16 korda parem lahutusvõime.

Siin on näha kolm erinevat versiooni planeet Neptuunist, mis asub Päikesest 30 korda kaugemal kui Maa. Esimene foto näitab, milline näeb kauge planeet välja maapealses teleskoobis ilma adaptiivse optikata. Teine foto pärineb Hubblelt ja kolmas Väga Suurelt Teleskoobilt (VLT), mis kasutab adaptiivset optikat. Nagu võib enda silmaga veenduda, ületab kolmas foto isegi Hubble võimekuse.