Hoe meet je of een instrument zijn werk doet? Hoe kunnen we straks meten dat de MICADO ADC (Atmospheric Dispersion Corrector) inderdaad zo goed werkt als waar deze voor ontworpen is? Dit is een van de belangrijkste vragen van in deze fase van mijn onderzoeksproject en ook een van de hoofdvragen van mijn proefschrift.

Zoals ik in eerdere blogs al heb beschreven, is het effect van atmosferische dispersie – de kleurafhankelijke breking van licht door de Aardse atmosfeer – normaal gesproken erg klein. Echter, met een telescoop van 39 meter is dit absoluut niet het geval. De hoge resolutie van zo’n grote telescoop zorgt er tegelijkertijd voor dat het kleine effect van atmosferische dispersie groot wordt. Elke ster zal niet langer een puntbron aan de hemel zijn, maar als een uitgesmeerde regenboog worden afgebeeld.

In de eisen voor het MICADO instrument staat dat dit effect tot minder dan 2.5 milli boogseconden – 0.0000007 graden – moet worden gereduceerd. Dit komt overeen met ongeveer een halve pixel op de detector. Met behulp van de ADC die NOVA in Dwingeloo ontwikkeld moet aan deze eis worden voldaan.
Wanneer MICADO dan uiteindelijk in elkaar zit, maar voordat de astronomen met een nieuwe camera mogen gaan spelen, moet worden gecontroleerd of het instrument naar behoren werkt. Er moet worden gechecked of de ADC in staat is de atmosferische dispersie terug te brengen tot onder die halve pixel. Maar hoe kan je dan een effect meten dat kleiner dan één pixel is? En hoe kan je dit effect tegelijkertijd onderscheiden van andere optische effecten? Is dat überhaupt wel mogelijk?

Er zijn in het verleden een aantal pogingen gedaan om de atmosferische dispersie in detail te meten. Dit wordt meestal gedaan met behulp van spectroscopie – waarbij het licht van een geobserveerde ster wordt gesplitst in alle kleuren waaruit dat licht bestaat. De locatie op de detector waar het licht van elke golflengte neer komt kan je dan iets vertellen over de mate van dispersie.
In een recente publicatie van mij heb ik een andere methode ontwikkeld om het meten van atmosferische dispersie voor elkaar te krijgen, zonder dat hier spectroscopie voor nodig is. MICADO heeft dan wel de mogelijkheid tot het doen van spectroscopie, maar is voornamelijk een normale camera. Het zou handig zijn als de astronomen snel kunnen controleren of de ADC zijn werk voldoende doet.

Het principe werkt als volgt. Door een speciaal patroon – een Bahtinov masker – te plaatsen in de pupil van het instrument, wordt de afbeelding die gemaakt wordt aangepast. Dit masker zorgt ervoor dat als je naar een ster kijkt er op meerdere plekken zogenoemde speckles rondom de ster verschijnen. Omdat de locatie van deze speckles afhankelijk is van de golflengte van het licht, worden deze ook beïnvloed door enige (atmosferische) dispersie. Nu blijkt dat als je lijnen trekt in het verlengde van de speckles, dat deze allen in hetzelfde punt kruisen. Wanneer dit snijpunt precies op de ster ligt, dan is er geen dispersie aanwezig. Maar ligt dit snijpunt naast de ster, dan is het er wel. Hoe verder van de ster, hoe meer dispersie er is. Dan is er een ADC nodig om dit te corrigeren.

Simulaties van dit concept had ik al lang geleden gedaan, maar echte observaties had ik nog niet. Om te bewijzen dat het ook in de praktijk werkt, besloot ik dat ik een proof-of-concept observatie moest doen. En laat er nu net een telescoop op de universiteit zijn die ik makkelijk kon gebruiken: De Gratama telescoop van het Blaauw observatorium, bovenop de Bernoulliborg. Met een spiegel van maar 40 centimeter in diameter valt dit meestal niet te vergelijken met de professionele telescopen met spiegels van meerdere meters, laat staan met de bijna 40 meter van de Extremely Large Telescope. De Gratama telescoop wordt voornamelijk gebruikt om de sterrenkunde studenten te leren omgaan met een observatorium en voor publieksavonden. Tijdens de pandemie vond dat laatste niet meer plaats. Het eerste wel. En dus moest ik een aantal weken wachten voordat het mijn beurt was.

In de tussentijd had ik het masker ontworpen en laten lasersnijden in Dwingeloo. Het ontwerp pastte perfect en op 13 juni 2021 waren zowel de telescoop beschikbaar en de weersvoorspelling goed. Het was tijd om te observeren. De omstandigheden zijn in Nederland zelden uitstekend te noemen. Donker wordt het nauwelijks en de atmosfeer is ook vrijwal altijd onrustig. Gelukkig waren mijn eisen voor deze observatie niet streng. Het was voldoende een paar heldere sterren te meten, wat prima vanuit de rand van Groningen stad kon.

Tijdens de schemering openden we de koepel van het observatorium en deden we de calibratie-activiteiten. Bij de eerste afbeeldingen zagen we, zoals verwacht, de diffractie speckles naast de geobserveerde ster staan. Vervolgens begonnen we één voor één sterren op verschillende posities aan de hemel te bekijken. En inderdaad, wanneer we naar een ster laag aan de hemel gingen, dan zagen we dat de speckles niet meer naar de ster wezen. Het idee werkte!

De volgende dag kopieerde ik de data naar mijn computer en kon de analyse beginnen. Al snel bleek dat de methode die ik had bedacht zou gaan werken. Maar tussen een eerste grove schatting van het resultaat en een gedetailleerde analyse die klaar is voor publicatie zit een hoop tijd. De meetfouten moeten worden beoordeelt, alle berekeningen moeten worden gecontroleerd en de opmaak van de figuren moet worden verfijnd. Daarnaast had ik besloten op drie manieren naar de data te kijken. De eerste was het meest logisch, gezien het idee achter dit onderzoek. Hierbij bepaalde ik welke lijnen het beste door de speckles getekend konden worden en waar dan het snijpunt van alle lijnen moest zitten. Door daarna te kijken naar de afstand tussen het snijpunt en de ster zelf, kon ik een idee krijgen van de hoeveelheid aan atmosferische dispersie.
De tweede methode was gebaseerd op de simulaties die ik voor het observeren al had gedaan. Omdat ik precies wist hoe de Gratama telescoop in elkaar zat kon ik mijn simulaties gebruiken om de observaties zo precies mogelijk na te bootsen. Door dan de juiste hoeveelheid aan atmosferische dispersie toe te voegen wordt de beste benadering gehaald, en dat is dan tevens de waarde waar ik in geïnteresseerd was.
De derde en laatste methode zou het minst succesvol zijn. Hierbij deed ik alsof ik helemaal geen diffractie masker tot mijn beschikking had – en dus ook geen speckles rond de ster zou hebben zitten. Door alleen te kijken naar de ster zelf probeerde ik te zien of deze langer was dan je zou verwachten. Maar helaas, er zijn (te) veel verschillende effecten die ervoor kunnen zorgen dat de ster een beetje wordt uitgesmeerd. Denk bijvoorbeeld aan een verschuiving van de camera ten opzichte van de ster. En dit was dan ook wat ik in mijn resultaten kon zien. Aan de andere kant is dit juist een sterk argument om zo’n masker wel te gebruiken!

In december van afgelopen jaar was ik dan eindelijk tevreden met mijn werk en stuurde ik het op voor publicatie. Maar daarmee was het nog niet klaar… de zogenaamde peer review moest plaats vinden. In januari kwamen er dan ook een aantal (terechte) opmerkingen en vragen terug mijn kant op. Om deze goed te beantwoorden moest ik nog meerdere malen in de details van mijn analyses duiken en dit netjes verantwoorden in de tekst. Heel wat werk! Maar het geheel is er wel beter van geworden. Ook dat is het wetenschappelijk proces.

En nu? Met de demonstratie van dit concept is de logische volgende stap om te gaan kijken wat er mogelijk is voor de MICADO ADC. Ik heb al nagedacht over andere ontwerpen van het masker die mogelijk beter werken. En uiteraard zal ik een nauwkeurige schatting moeten maken van de nauwkeurigheid waarmee de ADC dan gepositioneerd kan worden. Er is dus genoeg te doen. Hier kan je waarschijnlijk in de zomer meer over lezen.

Meer weten?

Het wetenschappelijke artikel^[1]Demonstration of an imaging technique for the measurement of PSF elongation caused by Atmospheric Dispersion, J. A. van den Born, W. Jellema & E. Dijkstra, 2022, MNRAS, 512-4, p.5812–5822, DOI: 10.1093/mnras/stac845 is voor iedereen beschikbaar om te lezen. De PDF kan je hier vinden.