Штучні зірки налаштують спектрографи наземних телескопів

За допомогою потужних лазерів можна не тільки запалювати опорні зірки і коригувати коливання щільності атмосфери, а й налаштовувати спектрографи наземних телескопів, стверджують вчені з Чилі, Німеччини, США та Швейцарії. Для цього потрібно виміряти зрушення частоти лазера, обумовлені комбінаційним розсіюванням на молекулах повітря. Працездатність ідеї астрономи перевірили на спектрографі ESPRESSO, встановленому на телескопі VLT. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє, препринт роботи викладено на сайті arXiv.org.

Якщо подивитися на небо, можна помітити, що зірки мерехтять, тобто їх яскравість випадковим чином змінюється. Таке «підморгування» виглядає романтично, однак ускладнює астрономічні спостереження і сильно обмежує їх точність. Основна причина мерехтіння - це коливання щільності атмосфери. Щоб скоригувати ці коливання, наземні оптичні телескопи зазвичай використовують адаптивну оптику та опорні лазерні зірки. Простіше кажучи, за допомогою потужного лазера вчені запалюють у верхніх шарах атмосфери допоміжну «зірку» з відомими параметрами, «сканують» турбулентності і налаштовують телескоп (детальніше про цей метод спостережень можна прочитати в наших матеріалах «Щоб зірки не мерехтіли» і «Лазерні опорні зірки»).

Зокрема, така система адаптивної оптики використовується в найбільшому оптичному телескопі Землі - Дуже великому телескопі (Very Large telescope, VLT): вона складається з чотирьох 22-ватних лазерів, які «підсвічують» атоми натрію, розташовані в мезосфері на висоті близько 90 кілометрів. Це дозволяє практично повністю виключити вплив атмосфери в інфрачервоному діапазоні і отримувати фотографії, в чотири рази більш чіткі, ніж фотографії, зроблені космічним телескопом «Хаббл».

Кілька років тому група астрономів під керівництвом Фредеріка Вогта (Frédéric Vogt) зауважила, що при створенні лазерної опорної зірки повинні збуджуватися не тільки атоми натрію, але й інші частинки, які будуть забруднювати отримане зображення. Насправді, перш ніж досягти верхніх шарів атмосфери, фотони лазера проходять через товстий шар повітря і втрачають енергію за рахунок комбінаційного (раманівського) розсіювання на його молекулах. Зазвичай цими процесами нехтують, тому що розсіяні фотони потрапляють у видимий спектр, а більшість астрономічних спектрографів працюють в інфрачервоному діапазоні. Тим не менш, спектрограф ESPRESSO, встановлений на VLT і призначений для пошуку населених екзопланет, оптичний діапазон захоплює.

Тепер та ж група дослідників за допомогою ESPRESSO точно виміряла положення спектральних ліній, що відповідають комбінаційному розсіюванню на молекулах повітря, і запропонувала використовувати цей процес для калібрування спектрографа. Дані вчені збирали протягом 15 хвилин вночі другого лютого 2018 року. На відміну від стандартних спостережень, однак, опорна зірка була створена на висоті близько 15 кілометрів, тому вченим довелося скоригувати фокус дзеркала телескопа.

В результаті дослідники розгледіли ряд спектральних ліній, які відповідали різним збудженням молекул повітря; довжина хвилі ліній відрізнялася від основної довжини хвилі лазера не більше ніж на 70 ангстрем. По-перше, вчені побачили збудження обертальних ступенів свободи молекул ¹⁶O₂ і ¹⁴N₂ і ¹⁴N¹⁵N аж до значень обертального квантового числа (J = 27, J = 24 і J = 9, відповідно). Щоб зіставити спектральні лінії змішаній молекулі азоту, що складається з ізотопів з різною атомною масою, вчені змоделювали процес розсіювання за допомогою методу Монте-Карло на основі марківських ланцюгів. По-друге, астрономи зареєстрували ряд ліній тонкої структури молекули ¹⁶O₂, які пов'язані із взаємодією спина молекули і її обертального кутового моменту. По-третє, дослідники знайшли кілька переходів молекул кисню і азоту між енергетичними рівнями з однаковим значенням обертального квантового числа, але різною амплітудою коливань (так звана Q-гілка, Q-branch).

За словами вчених, знайдені спектральні лінії цілком можна використовувати для калібрування спектрографів. Наприклад, зсув довжини фотонів, що розсіялися на молекулі кисню, відомий з похибкою близько п'яти фемтометрів, а довжина хвилі лазера, який запалює опорні зірки, - з похибкою близько 11 фемтометрів, тоді як необхідна похибка вимірювань ESPRESSO не повинна перевищувати 20 фемтометрів. Тому автори статті вважають, що в майбутньому спектрографи телескопів налаштовуватимуть саме таким способом.

Завдяки своїй добрій роздільній здатності телескоп VLT часто відкриває щось цікаве. Наприклад, у листопаді 2017 року телескоп побачив найбільш далекі і тьмяні галактики в історії, в серпні минулого року розглянув структуру групи NGC 5018 і ознаки взаємодії її галактик, а в жовтні виявив найдавніше прото-надскупчення з 5000 галактик і поспостерігав за рухом газу поблизу надмасивної чорної діри в центрі Чумацького шляху. Вже цього року VLT вперше поспостерігав в оптичному діапазоні за джетом від молодої зірки в іншій галактиці і сфотографував подвійний астероїд 1999 KW₄, який нещодавно пролетів біля Землі зі швидкістю понад 70 тисяч кілометрів на годину.