Vývoj celodiskového dalekohledu pro EST

Vývoj celodiskového dalekohledu pro EST
M. Sobotka a M. Klvaňa, Astronomický ústav AV ČR, v.v.i., Ondřejov, ČR
Z. Melich a Z. Rail, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i., Turnov, ČR
Abstrakt:
V současné době probíhá vývojová studie evropského čtyřmetrového slunečního dalekohledu
EST, jejíž stav shrnujeme v úvodu. Součástí studie je i návrh celodiskového dalekohledu
AFDT, rozpracovávaný v AsÚ a ÚFP AV ČR. Tento dalekohled o průměru 150 mm bude
sloužit k orientaci pozorovatele na slunečním disku a v jeho okolí, k navádění hlavního
dalekohledu EST na vybraný objekt, k přesnému měření souřadnic a ke korekcím
souřadnicového systému EST. AFDT bude rovněž použitelný jako samostatný robotický
dalekohled pro synoptická pozorování sluneční aktivity. V příspěvku popisujeme současný
stav návrhu speciální mechanické konstrukce AFDT, optického systému a principů řídícího
systému dalekohledu.
1. ÚVOD
V současné době probíhá třetí, závěrečný, rok
vývojové studie koncepce čtyřmetrového Evropského
slunečního dalekohledu EST [1, 2]. Na této studii se
podílí 29 vědeckých a průmyslových organizací z devíti
evropských zemí (Česká republika, Francie, Itálie,
Německo, Nizozemsko, Slovensko, Španělsko, Švédsko
a Velká Británie). Práci na studii koordinuje španělský
Instituto de Astrofísica de Canarias. Studie je
financována Evropskou unií pod 7. Rámcovým
programem. Po vývojové studii by měla v letech 2011 –
2013 následovat fáze detailního návrhu a pak vlastní
stavba dalekohledu na Kanárských ostrovech (2014 –
2019), která bude financována převážně z národních a
regionálních zdrojů.
Předběžný návrh EST (obr. 1) počítá s aperturou 4
m a výslednou ohniskovou vzdáleností 200 m. Jeho
optický systém (obr. 2) bude tvořen celkem 14 zrcadly
tak, aby bylo možné přímo kompenzovat instrumentální
polarizaci a otáčení obrazu. Součástí optického systému
bude multikonjugovaná adaptivní optika (MCAO), která
bude schopna korigovat atmosférickou degradaci obrazu
ve výškách 0, 5, 9, 15 a 30 km. Dalekohled bude
poskytovat obraz s úhlovým rozlišením 0,04" (30 km na
povrchu Slunce) v zorném poli 2'×2'. Mechanická
koncepce je založena na alt-azimutální montáži
s elevační osou umístěnou pod hlavním zrcadlem.
Pohyblivá část přístroje bude stát na asi 30 m vysoké
věži a bude chráněna plně otevíratelnou skládací kopulí
(obr. 1).
Obr. 1: Předpokládaná podoba slunečního dalekohledu EST
na Kanárských ostrovech (© EST Project).
Obr. 2: Koncepce optického systému EST. M1 a M2 – hlavní
a sekundární zrcadlo, F1 – primární ohnisko s chlazenou
clonou vymezující zorné pole, MCAO – zrcadla adaptivní
optiky (© EST Project).
201
Dalekohled bude napájet dvě početné skupiny
postfokálních přístrojů, jednu pro vizuální a druhou pro
blízkou infračervenou část spektra. V každé skupině
budou širokopásmové filtry pro přímé zobrazení v
různých vlnových délkách, úzkopásmové laditelné filtry
(Fabry-Pérotovy etalony) pro 2D spektropolarimetrii a
klasický mnohokamerový spektrograf s možnostmi 2D
spektroskopie, který bude pro tento účel vybaven
vláknovou optikou, systémem MSDP a dalšími
moderními doplňky.
2. CELODISKOVÝ DALEKOHLED AFDT
Zorné pole EST je příliš malé pro orientaci
pozorovatele na slunečním disku. Proto je nutné vybavit
EST dalším dalekohledem, který zobrazí celý sluneční
disk včetně aktuálních aktivních jevů ve fotosféře a
chromosféře. Tento dalekohled, nazvaný Auxiliary FullDisc Telescope (AFDT) je vyvíjen ve spolupráci
Slunečního oddělení Astronomického ústavu AV ČR a
Odděleni optické diagnostiky Ústavu fyziky plazmatu
AV ČR [3].
4. MECHANICKÁ KONCEPCE AFDT
Protože celodiskový dalekohled bude provádět
přesná poziční měření a bude mimo jiné používán jako
referenční souřadnicový systém pro EST, jeho
mechanická struktura musí být velmi tuhá a stabilní.
Ukazuje se, že je výhodné umístit AFDT samostatně
(obr. 3), nezávisle na pohyblivých částech hlavního
dalekohledu, ale v dostatečné výšce nad zemí, aby obraz
nebyl rušen přízemním seeingem. Funkce synoptických
pozorování dále vyžaduje umístění mimo kopuli EST
tak, aby bylo možné s AFDT pozorovat i tehdy, kdy je
hlavní dalekohled mimo provoz a kopule je zavřena.
Mechanická koncepce AFDT je založena na
kompaktním tubusu, který se otáčí kolem podélné osy
A1 rovnoběžné s polární osou (obr. 4). Světlo ze Slunce
je do tubusu odráženo rovinným zrcadlem M1, které je
otočné kolem deklinační osy A2 kolmé k A1. Naklánění
zrcadla M1 umožňuje pozorovat zónu ±26° kolem
nebeského rovníku. Celá tato konfigurace představuje
ekvatoreální montáž, která má tu výhodu, že se obraz
Slunce během pozorování neotáčí.
3. ZÁKLADNÍ FUNKCE AFDT
Vyvíjený celodiskový dalekohled musí zajistit
pozorovateli rychlou a pohodlnou orientaci na Slunci,
přesné navedení hlavního dalekohledu EST na zvolený
objekt, zobrazení aktivních jevů a záznam jejich vývoje.
Proto bude vybaven následujícími základními funkcemi:
Vizualizace slunečního disku a jeho okolí, včetně
protuberancí v chromosférických čarách.
Simultánní zobrazování v bílém světle a čarách Hα
(656 nm) a Ca II K (393 nm) nebo H (397 nm). Bílé
světlo poskytuje informaci o fotosféře, Hα o
chromosféře a Ca II K (H) dává přibližnou
představu o rozložení magnetických polí.
Identifikace objektu a navádění hlavního
dalekohledu EST na tento objekt.
Zobrazení aktuální polohy a rozsahu zorného pole
EST.
Obr. 3: Příklad umístění AFDT na jižní stěně věže EST.
Absolutní poziční měření v různých
souřadnicových systémech.
Kontrola a aktualizace souřadnicového systému
hlavního dalekohledu EST.
Automatický záznam historie sluneční aktivity
(synoptická pozorování). V určených časových
intervalech budou ukládány nejlepší obrazy v bílém
světle, Hα a Ca II K (H).
Obr. 4: Mechanická koncepce AFDT. A1 – polární osa, A2 –
deklinační osa, B1, B2 – ložiska, M1 – rovinné zrcadlo.
Automatická detekce erupcí, jejich lokalizace a
záznam vývoje.
202
5. OPTICKÝ NÁVRH AFDT
Optický návrh vychází z požadavků na funkce
AFDT. Sluneční disk (střední průměr 32') a jeho
nejbližší okolí je zobrazován v kruhovém zorném poli o
průměru 72'. Na detektorech čtvercového tvaru je
výsledné zorné pole 51' × 51'. Z požadovaného
úhlového rozlišení 1" vyplývá průměr objektivu 150
mm. Filtry vymezující pozorované spektrální oblasti
jsou umístěny v kolimovaných svazcích, aby byla
zajištěna jejich optimální činnost.
Základní optické schéma je na obr. 5. Před
hlavním objektivem je umístěn tepelný a neutrální filtr a
rovinné zrcadlo 300 × 160 mm, jehož funkce je popsána
v oddílu 3. Hlavní objektiv L1 o průměru 150 mm má
primární ohniskovou vzdálenost 2 m. Je navržen buď
jako jednoduchý dublet nebo jako čtyřčočkový
teleobjektiv, který by v případě nutnosti umožnil
zkrácení konstrukční délky AFDT z 3,3 m na 2,6 m. Za
primárním ohniskem následuje kolimátor L2 a dělič,
který rozděluje světlo do tří svazků. Filtr pro bílé světlo
má šířku propustnosti 5 nm se středem na 456 nm.
Komerčně
dostupné
úzkopásmové
filtry pro
chromosférické čáry mají průměr 32 mm a šířky
propustnosti 0,2−0,3 nm (Ca II K/H) a 0,05−0,07 nm
(Hα). Zobrazovací objektivy L3, L4 a L5 jsou navrženy
jako kvadruplety zajišťující kompenzaci optických vad
a dosažení difrakčního limitu zobrazení v celém zorném
poli. Efektivní ohnisková vzdálenost AFDT f' závisí na
velikosti čipů použitých detektorů. Například, pro
detektory o velikosti 60 × 60 mm f' = 2650 mm a pro
čipy 28 × 28 mm f' = 1550 mm.
Při úhlovém rozlišení 1" je nutno obraz vzorkovat
po 0,5", což definuje maximální velikost obrazového
elementu (pixelu) a zároveň počet pixelů v zorném poli
51' × 51', tj. 6120 × 6120 pixelů. Pro AFDT jsou tedy
nutné detektory o velikosti 36 Mpix, které budou
zároveň schopné snímat obraz s frekvencí několika
snímků za sekundu.
6. ŘÍDÍCÍ SYSTÉM AFDT
Požadovanou polohu slunečního dalekohledu je
možno nastavit pomocí pozičního řídícího systému,
pointačního řídícího systému nebo jejich kombinace.
Poziční řídící systém nastavuje dalekohled podle
souřadnic, vypočtených z efemerid a známých korekcí,
např. modelu mechanických deformací přístroje a
refrakčních tabulek. Jeho přesnost je dána znalostí
potřebných korekcí, což například pro anomální refrakci
může být problém. Poziční řídící systém je však
použitelný bez omezení pro libovolnou vzdálenost
vybraného objektu od středu slunečního disku a je
nezávislý na pozorovacích podmínkách. Tímto
systémem jsou řízeny moderní sluneční dalekohledy
s azimutální montáží, například SST a GREGOR na
Kanárských ostrovech.
Pointační řídící systém určuje souřadnice pro
nastavení polohy dalekohledu pomocí reálného okraje
slunečního disku a úhlu denního chodu. Nevyžaduje
znalost korekcí polohy dalekohledu, jeho přesnost však
závisí na homogenitě atmosféry a kvalitě pozorovacích
podmínek. Příchod mraku tento systém zcela vyřazuje z
provozu. Kvalitní určení souřadnic je možné pouze v
případě, že v zorném poli pointačního dalekohledu je
celý sluneční disk. Tento systém je často využíván
klasickými slunečními dalekohledy s coelostatem nebo
na paralaktické montáži.
Obr. 5.: Optické schéma AFDT
203
Obr. 6: Zorné pole AFDT. Pole hlavního dalekohledu EST
je vyznačeno obdélníkem. Souřadnicový systém (x, y) je
vztažen ke středu zorného pole O, (ξ, η) ke středu slunečního
disku C a (ξM, ηM) ke středu pole EST.
Obr. 7: Zorné pole hlavního dalekohledu EST. Objekt na
souřadnicích ξS, ηS v poli AFDT (obr. 6) by se měl objevit ve
středu zorného pole O. Pokud ne, ξMS, ηMS představují
poziční chyby EST.
AFDT používá kombinaci obou systémů. Přibližné
nastavení na Slunce a sledování jeho pohybu po obloze
zajišťuje poziční řídící systém. Zároveň pointační řídící
systém využívá snímků v bílém světle k výpočtu
aktuálních poloh středu slunečního disku z pozic bodů
celého okraje disku na čipu detektoru s přesností
srovnatelnou s úhlovým rozlišením 1". Výsledkem jsou
odchylky polohy středu disku od středu čipu. Jsou dvě
možnosti, jak tyto odchylky dále zpracovat.
Poziční řízení s aktivní pointací: Vzdálenosti mezi
středem disku a středem čipu jsou převedeny na
pointační signál, kterým se ovládají pohony
dalekohledu. AFDT se aktivně pohybuje tak, aby udržel
sluneční disk ve středu zorného pole. Výhodou této
alternativy je nižší citlivost k chybám justáže a stability
přístroje a k nepřesnostem korekcí pozičního systému.
Nevýhodou je vliv pozorovacích podmínek a oblačnosti
a problémy spojené s dynamikou odezvy pohybů
dalekohledu na pointační signál.
Poziční řízení s pasivní pointací: AFDT je
naváděn pozičním řídícím systémem a vzdálenosti mezi
středem disku a středem čipu slouží „pouze“
k aktualizaci vypočtených souřadnic. Předpokládáme
zde, že odchylky středu disku od středu čipu jsou malé a
že poziční řídící systém udrží celý disk v zorném poli.
Výhodou této alternativy je nezávislost na pozorovacích
podmínkách a oblačnosti. Protože dalekohled
nevykonává pointační pohyby, je toto řešení méně
náročné na mechaniku a řízení pohybů a je tedy
spolehlivější. Nevýhodou jsou vyšší požadavky na
mechanickou stabilitu, justáž a přesnost uložení
dalekohledu. Protože navrhovaná mechanická koncepce
má všechny předpoklady splnit tyto nároky, bylo
poziční řízení s pasivní pointací vybráno pro realizaci.
Pokud je pozorovaný objekt vzdálen více než 10'
od okraje slunečního disku, disk není celý v zorném poli
a pointace se vypíná. AFDT je pak naváděn výhradně
pozičním řídícím systémem podle vypočtených
souřadnic.
Princip korekce souřadnic AFDT v režimu
pozičního řízení s pasivní pointací znázorňuje obr. 6. Na
obrázku je zorné pole AFDT se slunečním diskem.
Zorné pole hlavního dalekohledu EST je vyznačeno
světlejším obdélníkem, v jehož středu je pozorovaný
objekt. Střed čipu O je počátkem pravoúhlých souřadnic
(x, y). V nich se průběžně měří poloha středu disku C,
který je počátkem souřadnic (ξ, η), které jsou přes
transformační vzorce svázány se systémy nebeských a
heliografických souřadnic. Díky znalosti polohy středu
disku xC, yC můžeme korigovat měřenou polohu objektu
xS, yS na skutečnou ξS, ηS.
Hlavní dalekohled EST bude naváděn pomocí
vlastního pozičního řídícího systému. Pošleme-li mu
souřadnice objektu ξS, ηS, měl by se objekt objevit ve
středu zorného pole EST, v počátku souřadnicového
systému (ξM, ηM), obr. 7. Pokud tomu tak není,
představuje poloha objektu ξMS, ηMS chybu pozičního
řídícího systému hlavního dalekohledu, kterou lze
snadno změřit a opravit. AFDT tak může sloužit jako
referenční souřadnicový systém pro navádění EST.
7. ZÁVĚR
Základem navrhované koncepce celodiskového
dalekohledu AFDT pro Evropský sluneční dalekohled je
klasický refraktor samostatně uložený v tubusu otočném
kolem polární osy. Tato mechanicky stabilní struktura
umožňuje používat AFDT nejen jako hledáček, ale i
jako referenční souřadnicový systém pro hlavní
204
čtyřmetrový dalekohled. Navržený optický systém se
zorným polem 51' × 51' a úhlovým rozlišením 1"
splňuje podmínky kvalitního zobrazení celého
slunečního disku v bílém světle (450−460 nm) a
v chromosférických čarách Hα a Ca II K (H). Pro řízení
AFDT byl vybrán poziční řídící systém s pasivní
pointací, který je málo citlivý na pozorovací podmínky,
nenáročný na dynamické chování dalekohledu a tedy
mnohem spolehlivější než ostatní alternativy. Umístění
AFDT nezávisle na hlavním dalekohledu umožňuje
používat AFDT jako samostatný sluneční synoptický
dalekohled.
LITERATURA
Collados, M., 2008, „European Solar Telescope (EST): project
status“, Ground-based and Airborne Telescopes II, ed. L.M. Sepp a
R. Gilmozzi, Proc. SPIE 7012, str. 70120J-70120J-7.
Collados, M., Bettonvil, F., Cavaller-Marquez, L., Ermolli, I., a kol.,
2010, „European Solar Telescope. Project status“, Ground-based
and Airborne Telescopes II, ed. L.M. Sepp, R. Gilmozzi a H.J.
Hall, Proc. SPIE 7733, článek 7733-13.
Sobotka, M., Klvaňa, M., Melich, Z., Rail, Z., a kol., 2010, „Auxiliary
full-disc telescope for the European Solar Telescope“, Groundbased and AirborneInstrumentation for Astronomy III, ed. I.S.
McLean, S.K. Ramsay a H. Takami, Proc. SPIE 7735, článek
7735-69.
Poděkování:
Práce byla realizována v rámci mezinárodního projektu
EST Design Study, financovaného 7. Rámcovým
programem EU jako grant 212482. Za podporu
děkujeme těž Grantové agentuře AV ČR (grant IAA
300030808).
205