Лазерна штучна зоря — штучне зображення зорі, створене для систем адаптивної оптики, які використовують у великих телескопах для виправлення спотворень світла атмосферою Землі (так зване астрономічне бачення). Системи адаптивної оптики потребують еталонного джерела хвильового фронту, яке називають опорною зорею. Для цієї мети можна використовувати природні зорі, однак достатньо яскраві зорі трапляються не в усіх ділянках неба, що обмежує можливості адаптивної оптики. Щоб подолати це обмеження, штучну опорну зорю створюють, спрямовуючи лазер в атмосферу Землі. Світло лазерного променя відбивається компонентами верхніх шарів атмосфери й повертається до телескопа. Таку зорю можна створити практично в будь-якому напрямку, куди спрямований телескоп, що значно розширює доступ адаптивної оптики до різних ділянок неба.

Типи

Існують два основні типи лазерних штучних зір: натрієві та релеївські.

Натрієві штучні зорі створюють за допомогою лазера, налаштованого на довжину хвилі 589,2 нм, який збуджує атоми в натрієвому шарі мезосфери на висоті близько 90 км. Після цього атоми натрію повторно випромінюють лазерне світло, утворюючи яскраву штучну зорю. Той самий атомний перехід натрію використовують у натрієвих лампах для вуличного освітлення.

Релеївські штучні зорі ґрунтуються на розсіюванні світла молекулами нижніх шарів атмосфери. Порівняно з натрієвими, релеївські штучні зорі значно простіші й дешевші, однак забезпечують менш якісний еталон хвильового фронту, оскільки штучне джерело формується набагато нижче в атмосфері. Такі лазери часто працюють в імпульсному режимі, а вимірювання атмосфери виконують із часовою затримкою (через кілька мікросекунд після випромінювання імпульсу, щоб ігнорувати світло, розсіяне біля поверхні Землі, і реєструвати лише світло, яке встигло пройти високо в атмосферу та повернутися назад).

Технологія

Лазери на барвниках були першими джерелами лазерного випромінювання, які використовували для створення лазерних штучних зір. Ці й надалі відіграють важливу роль у цій галузі, хоча деякі дослідники вважають використання рідких активних середовищ їхнім недоліком. До другого покоління лазерів для натрієвих штучних зір належать твердотільні лазери зі змішуванням сумарної частоти. З 2005 року розробляють лазерні системи третього покоління, засновані на перебудовуваних діодних лазерах із подальшим вузькосмуговим раманівським волоконним підсиленням і резонансним перетворенням частоти. Починаючи з 2014 року на ринку з'явилися повністю готові до використання системи. Важливими характеристиками вихідного випромінювання згаданих тут переналаштовуваних лазерів є дифракційно-обмежена розбіжність пучка та вузька спектральна ширина лінії випромінювання.

Для натрієвих лазерних опорних зір необхідно подолати три основні труднощі: ларморову прецесію, віддачу та насичення переходуD. Bonaccini Calia D. Budker J. M. Higbie W. Hackenberg R. Holzlohner, S. M. Rochester. Optimization of CW sodium laser guide star efficiency. Astronomy and Astrophysics, 510, 2010.. Ларморова прецесія, тобто прецесія атомів натрію в геомагнітному полі (точніше, прецесія квантованого вектора повного атомного кутового моменту), зменшує інтенсивність флуоресценції лазерної опорної зорі, оскільки змінює кутовий момент атома ще до встановлення циклічного дворівневого переходу, який виникає завдяки оптичному накачуванню світлом із круговою поляризацією. Віддача під час спонтанного випромінювання, що передає атомові імпульс, спричиняє червоне зміщення лазерного світла відносно атома. Унаслідок цього атом більше не може поглинати лазерне світло й, відповідно, перестає флуоресціювати. Насичення переходу полягає у зменшенні кількості атомів у стані з більшим кутовим моментом (F=2) та їх переході до стану з меншим кутовим моментом (F=1), що призводить до зміни довжини хвилі поглинання.

Історія

Вважають, що натрієву лазерну опорну зорю для використання в адаптивній оптиці з метою компенсації атмосферних спотворень винайшов 1982 року фізик із Принстонського університету у межах Стратегічної оборонної ініціативи, однак на той час ця розробка була засекречена.

Станом на 2006 рік лише дві системи адаптивної оптики з лазерними опорними зорями регулярно використовували для наукових спостережень, а їхні результати публікували в рецензованій науковій літературі: системи в Лікській і Паломарській обсерваторіях у Каліфорнії та в обсерваторії Кека на Гаваях. Утім уже тоді системи лазерних опорних зір розробляли для більшості великих телескопів. На телескопі Вільяма Гершеля, Дуже великому телескопі та Джеміні-Північ уже випробовували лазери під час реальних спостережень, хоча вони ще не працювали в регулярному режимі. Станом на 2006 рік системи лазерної адаптивної оптики також розробляли для Великого бінокулярного телескопа та Великого телескопа Канарських островів. Система лазерної опорної зорі на Дуже великому телескопі розпочала регулярні наукові спостереження в червні 2007 року.

Із квітня 2016 року на Дуже великому телескопі в Європейській південній обсерваторії встановлено комплекс 4 Laser Guide Star Facility (4LGSF), який став новою підсистемою комплексу Adaptive Optics Facility (AOF). Він випромінює в небо 4 лазерні промені, які створюють 4 штучні зорі, забезпечуючи точнішу корекцію й розширюючи кореговане поле зору. Система 4LGSF також допомагала випробовувати обладнання для Надзвичайно великого телескопа, який теж матиме аналогічну систему для підтримки адаптивної оптики. Із грудня 2025 року три інші одиничні телескопи обсерваторії Паранал також оснастили окремими лазерами. Це дало змогу використовувати адаптивну оптику з лазерними опорними зорями для інтерферометра Дуже великого телескопа, що суттєво підвищило його чутливість і збільшило доступну для спостережень ділянку небаhttps://www.eso.org/public/news/eso2519.

Примітки

Посилання

Laser Guide Star Adaptive Optics @ keck.hawaii.edu ESOcast 34: How To Stop a Star's Twinkle ESO's New Compact Laser Guide Star Unit Tested Gemini's Laser Vision Reveals Striking New Details in Orion Nebula