Astronomie Research

Mijn eerste publicatie! Een (hopelijk) begrijpelijke uitleg

July 23, 2020

Looking for a more scientific explanation or something in English? You might be looking for this page.


Deze week is mijn eerste wetenschappelijk werk gepubliceerd en ben ik officieel wetenschapper! Het artikel, met de pakkende titel “Quantification of the expected residual dispersion of the MICADO Near-IR imaging instrument”, is gepubliceerd in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society[1] Quantification of the expected residual dispersion of the MICADO Near-IR imaging instrument, J.A. van den Born & W. Jellema, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 496, Issue 4, August 2020, Pages 4266-4275, 10.1093/mnras/staa1870 . Om dit te vieren wil ik in dit artikel uitleggen wat er in deze publicatie staat. Aan het eind zal je dan aardig beeld moeten hebben van mijn onderzoek en waar ik dagelijks mee bezig ben.

Atmosferische dispersie en MICADO

In 1973 bracht Pink Floyd het album “Dark side of the moon” uit. De afbeelding op de voorkant van dit album laat zien hoe een prisma een witte lichtstraal breekt in verschillende kleuren. Doordat de breking van het licht net anders is voor verschillende golflengten (lees: kleuren), ontstaat een spectrum[2] Dit is ook precies hoe een echte regenboog werkt. In plaats van een prisma, is het een regendruppel die het witte (zon)licht breekt in de verschillende kleuren. . Dit effect wordt (kleur-)dispersie genoemd en de mate van dispersie kan verschillen per materiaal.

Dark side of the moon is mijn standaard voorbeeld om het principe van dispersie mee uit te leggen. Niet alleen prisma’s en regendruppels kunnen een spectrum (regenboog) creëren. De atmosfeer doet dit ook. Normaliter is dit effect te klein om op te vallen. Met het blote oog is het nooit te zien en met een kleine telescoop alleen als je naar sterren (of planeten) dichtbij de horizon kijkt. Voor een extreem grote telescoop zoals de Extremely Large Telescope (ELT), welk over een aantal jaar vanuit Chili de hemel gaat bekijken, is dit een ander verhaal. Voor vrijwel alle observaties, of ze nu dichtbij de horizon, of juist dichtbij zenith[3] Zenith – Direct boven aan de hemel en het omgekeerde van altitude. Als er gesproken wordt over 30° zenith, dan betekent dat 30° weg van direct boven je. Dit komt overeen met een altitude van 60°. Een altitude van 0° bevindt zich aan de horizon en komt overeen met 90° zenith. zijn, is atmosferische dispersie een effect om rekening mee te houden.

Gelukkig valt atmosferische dispersie te corrigeren. Een van de basisprincipes in de optica is haar omkeerbaarheid. Het maakt niet uit of een lichtstraal van links naar rechts, of van rechts naar links door een optisch systeem gaat. Dit betekent dat als je een spectrum kan maken met een prisma door er wit licht in te stoppen, je ook een witte straal terug kan krijgen door er juist een spectrum in te stoppen.

De Atmosferische Dispersie Corrector (ADC) is een geavanceerde implementatie van dit principe dat wordt ontworpen voor MICADO[4] MICADO – The Multi-AO Imaging CAmera for Deep Observations. Een uit de kluiten gewassen infrarood camera die maximaal gebruik gaat maken van de mogelijkheden van de ELT. , het instrument voor de ELT waar ik aan werk. Een van de vele systeemeisen aan dit instrument is de nauwkeurigheid waarmee de atmosferische dispersie gecorrigeerd moet worden. In mijn artikel heb ik theoretisch onderbouwd of dit haalbaar is en waar er mogelijk knelpunten kunnen zitten. Een samenvatting in hopelijk begrijpbare taal;

Zijn de modellen die atmosferische dispersie beschrijven wel afdoende?

Als we aannemen dat er geen optische en technische limitaties zijn aan het ontwerp en de ADC precies zo werkt als het MICADO consortium in gedachten heeft, dan is de enige reden waardoor de prestaties sub optimaal kunnen zijn het model dat gebruikt wordt. Deze bepaald hoeveel atmosferische dispersie er zou moeten zijn en dus hoeveel er gecorrigeerd moet worden. Het is lastig de atmosferische dispersie direct te meten tijdens een observatie. Dus zijn fysische modellen noodzakelijk. En daar zijn er veel van. Zo veel zelfs dat we ons afvroegen welke modellen wel en welke modellen niet geschikt zouden zijn voor MICADO.

De twee basisingredienten voor deze modellen zijn de brekingsindex van lucht en een beschrijving van de atmosfeer.

De brekingsindex beschrijft in welke mate sterlicht gebroken wordt op het moment dat het van een vacuüm (buiten de Aarde) overgaat in een ander medium, in dit geval lucht. De waarde van de brekingsindex is sterk afhankelijk van de golflengte van het licht en in mindere mate van andere parameters zoals de luchttemperatuur, luchtdruk en luchtvochtigheid. Deze variabelen werden al meegenomen in modellen uit de eerste helft van de vorige eeuw, maar de nauwkeurigheid van die modellen is voor MICADO niet toereikend. Het model van Barrell en Sears, uit 1939, was lange tijd de standaard beschrijving voor de brekingsindex van lucht en is daardoor nog steeds veelvuldig terug te vinden in literatuur. Er wordt vaak vergeten om kritisch te kijken naar de beschrijving van de brekingsindex van lucht, als dat niet het hoofddoel is van dat specifieke onderzoek. Dat was een van de conclusies die ik trok in mijn onderzoek. Uiteindelijk besloot ik voor mijn werk de beschrijving van Philip Ciddor uit 1996 te gebruiken. Het Ciddor model is de huidige standaard en het model heeft als groot voordeel dat het modulair is opgebouwd, wat het mogelijk maakt verbeteringen door te voeren.

De geometrie van de atmosfeer speelt een andere belangrijke rol voor het bepalen van atmosferische dispersie. Voor snelle schattingen is het gebruikelijk aan te nemen dat de atmosfeer plat is en er geen verschil is in de atmosferische condities op verschillende hoogtes. Voor ordegrootte schattingen werkt dit model prima. De Aarde is echter niet plat en daarom is het natuurlijk nauwkeuriger om de kromming van de Aarde en de atmosfeer mee te nemen in de berekeningen. Ook hier zijn er verschillende manieren om de geometrie van de atmosfeer te omschrijven in wiskundige modellen. Uiteindelijk vond ik dat een simpel model, Cassini’s homogene atmosfeer model, nauwkeurig genoeg was. Het grote voordeel van dit model in vergelijking met de anderen die ik noem in het artikel is dat het wiskundig zo simpel in elkaar zit dat een VWO student het af moet kunnen leiden. Dit maakt het doen van verdere analyses een stuk eenvoudiger.

Met het model van Ciddor voor de brekingsindex en het model van Cassini voor de atmosfeer kijk ik vervolgens naar de invloed van de weersomstandigheden op de verwachtte atmosferische dispersie. Een belangrijke vraag is hoe nauwkeurig de weersomstandigheden gemeten moeten worden om tot nauwkeurige resultaten te komen. In het artikel laat ik zien dat de huidige weerstations goed genoeg zijn. Er hoeven gelukkig geen betere weerstations te worden ontwikkeld.

Met een geschikt model achter de hand konden we vervolgens gaan kijken naar de limitaties van de ADC zelf. Deze heb ik voor het gemak opgesplitst in een optisch en mechanisch deel.

Hoe precies kan de ADC de atmosferische dispersie nabootsen

Optisch perspectief

Deze afbeelding, figuur 4 uit het artikel, laat zien hoeveel atmosferische dispersie er over blijft na een correctie door de ADC. Als de ADC perfect zou zijn zou er alleen een lijn door nul gaan.

Zoals ik aan het begin heb uitgelegd is het mogelijk een witte lichtstraal met een prisma te splitsen in de verschillende kleuren waaruit wit licht bestaat. Door vervolgens een soortgelijk prisma te gebruiken is het mogelijk dit effect weer om te draaien. Bij de dispersie door de atmosfeer kunnen we natuurlijk niet een “omgedraaide” atmosfeer creëren, maar met een combinatie van verschillende soorten glas kan het gedrag van de atmosfeer wel worden nagebootst. De optisch ontwerper van MICADO heeft een ontwerp gevonden wat dit heel goed doet. Het is echter niet perfect. Voor bepaalde golflengten is er nog een klein beetje dispersie dat overblijft na de correctie. Dit is niet veel en kan goed gemodelleerd worden. Voor MICADO zal dit geen problemen gaan geven.

Een tweede optisch effect waar ik mij in heb verdiept is nog subtieler dan het bovenstaande. Niet alle sterren hebben dezelfde kleur. Sommige zijn rood en andere juist blauw[5] De kleur van een ster is direct gekoppeld aan de temperatuur van een object. De meeste alledaagse objecten stralen warmtestraling uit in het infrarood. Dit kunnen we met het blote oog niet zien. Wanneer het object warm genoeg is dan wordt dit wel zichtbaar. Denk bijvoorbeeld aan gloeiend hete kolen. De warmtestraling is dan zichtbaar als een rode gloed. Maak je het nog veel warmer, dan wordt dit licht blauw van kleur, zoals in de term witheet. . En licht van verschillende kleur heeft een verschillende mate van refractie door de atmosfeer, wat betekent dat de precieze positie van een rode ster ten opzichte van een blauwe ster zoals we die zien aan de hemel niet overeenkomt met de daadwerkelijke positie. Dit is een significant probleem voor een instrument dat ook nauwkeurig de relatieve posities van sterren wil gaan bepalen. Gelukkig helpt ook hier de ADC een hoop. Door mijn analyse kon ik concluderen dat hier geen kritieke problemen zitten.

Mechanisch perspectief

Het mechanisch ontwerp van de MICADO ADC maakt gebruik van stappenmotoren om de glazen prisma’s te positioneren. Stappenmotoren zijn simpel, effectief en een veelgebruikt type motor. Een nadeel voor de ADC is dat de prisma’s altijd discrete stappen moet doen. De kleinste stap die een prisma kan doen is een rotatie van ongeveer 0.3 graden. Dat bleek net genoeg te zijn om binnen de marges voor de dispersiecorrectie eisen te blijven.

Meer weten?

Ik heb geprobeerd in begrijpelijke taal de belangrijkste aspecten uit te leggen uit het artikel. In het volledige werk ga ik er veel dieper, en vooral analytischer, op in.
Mocht je na deze samenvatting toch nog meer willen weten, dan raad ik je sterk aan om het originele werk en de referenties daarin te lezen. Een directe link naar de PDF kan je hier vinden.

Op termijn wil ik ook een specifieke pagina weiden aan het MICADO instrument. Hierin wil ik in gaan op de wetenschappelijke doelen van het instrument en waar het voor gebruikt zal worden. Een korte introductie van het mechanisch en optisch ontwerp zal ik dan ook beschrijven. Als deze klaar is zal ik hier een link plaatsen naar die pagina.

Tot slot, mocht je mijn werk willen controleren of zelf aan de slag willen met het berekenen van atmosferische refractie en/of dispersie, dan kan je misschien profijt hebben van de PYTHON package AstroAtmosphere, die ik geschreven heb gedurende mijn onderzoek.

Footnotes

↑ 1. Quantification of the expected residual dispersion of the MICADO Near-IR imaging instrument, J.A. van den Born & W. Jellema, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 496, Issue 4, August 2020, Pages 4266-4275, 10.1093/mnras/staa1870
↑ 2. Dit is ook precies hoe een echte regenboog werkt. In plaats van een prisma, is het een regendruppel die het witte (zon)licht breekt in de verschillende kleuren.
↑ 3. Zenith – Direct boven aan de hemel en het omgekeerde van altitude. Als er gesproken wordt over 30° zenith, dan betekent dat 30° weg van direct boven je. Dit komt overeen met een altitude van 60°. Een altitude van 0° bevindt zich aan de horizon en komt overeen met 90° zenith.
↑ 4. MICADO – The Multi-AO Imaging CAmera for Deep Observations. Een uit de kluiten gewassen infrarood camera die maximaal gebruik gaat maken van de mogelijkheden van de ELT.
↑ 5. De kleur van een ster is direct gekoppeld aan de temperatuur van een object. De meeste alledaagse objecten stralen warmtestraling uit in het infrarood. Dit kunnen we met het blote oog niet zien. Wanneer het object warm genoeg is dan wordt dit wel zichtbaar. Denk bijvoorbeeld aan gloeiend hete kolen. De warmtestraling is dan zichtbaar als een rode gloed. Maak je het nog veel warmer, dan wordt dit licht blauw van kleur, zoals in de term witheet.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.