11 دقیقه
برای نخستین‌بار، ستاره‌شناسان از یک دستگاه اپتیکی پیشرفته به نام «لنترن فوتونیک» روی یک تلسکوپ زمینی استفاده کرده‌اند تا تصویری بی‌سابقه و بسیار دقیق از ناحیهٔ اطراف دیسک ستاره‌ای تهیه کنند. هدایت این تلاش را پژوهشگران UCLA با استفاده از تلسکوپ سوبارو در ماونا‌کیا بر عهده داشتند؛ آن‌ها با ترکیب فوتونیک پیشرفته، اپتیک سازگار (adaptive optics) بسیار پایدار و روش‌های نوین پردازش داده، ساختارهایی را آشکار کردند که قبلاً دیده نشده بودند — از جمله نامتقارنی غیرمنتظره‌ای در دیسک هیدروژنی اطراف ستارهٔ β Canis Minoris (β CMi).
این نتیجه تنها یک تصویر زیباتر نیست. این یک نشانگر عملی است که تغییرات هوشمندانه در سختافزار به‌همراه تحلیل پیشرفته میتواند کارایی تلسکوپهای منفرد را به سطحی برساند که پیشتر تنها با آرایههای تلسکوپ بزرگ یا تداخلسنجها ممکن بود. این پیشرفت اهمیت دارد زیرا جداسازی ساختارهای بسیار کوچک و دوردست — از دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای تا بادهای ستاره‌ای و حرکات گازی — برای پاسخ دادن به پرسش‌های اساسی دربارهٔ شکلگیری و تکامل سیارات و ستارگان حیاتی است. کلید درک بهتر این پدیده‌ها، تصویربرداری با رزولوشن بالا و تکنیک‌های فوتونیک است.
How a photonic lantern re-engineers starlight
تصویربرداری سنتی نور را در کانون تلسکوپ جمع‌آوری میکند و تصویری مستقیم روی آشکارساز ایجاد میکند. تیزی یا وضوح تصویر اساساً توسط قطر دهانهٔ تلسکوپ و طبیعت موجی نور — که به آن «حد دیفرکشن» گفته میشود — و نیز با ناپایداری‌های جوی محدود میشود. دهه‌هاست ستاره‌شناسان با ساخت آینه‌های بزرگ‌تر یا پیوند زدن تلسکوپ‌ها در آرایههای تداخل‌سنجی، رزولوشن زاویهای را افزایش داده‌اند. لنترن فوتونیک یک مسیر متفاوت و نوآورانه ارائه میدهد.
لنترن فوتونیک دستگاهی از نوع فیبر نوری است که میدان نور پیچیدهٔ ورودی را گرفته و بر اساس ساختار فضایی شکل موج، آن را به چند کانال مجزا تقسیم میکند. میتوان آن را مانند جدا کردن یک آکورد موسیقی به نتهای منفرد تصور کرد: الگوهای ظریف فاز و دامنه که در تصویر معمولی با هم محو می‌شدند، اکنون به کانال‌های جداگانه تبدیل می‌شوند تا با دقت سنجیده شوند. علاوه بر این، لنترن نور را بر اساس طول موج پخش میکند، که امکان ردیابی جابهجاییهای کوچک وابسته به طول موج در موقعیت ظاهری منبع را فراهم می‌آورد. این ویژگی برای تحلیل طیفی و بررسی دینامیک گاز در دیسکها بسیار ارزشمند است و با تکنیک‌های اسپکترومتری ترکیب میشود تا اطلاعات مکان-طیفی دقیق‌تری به‌دست آید.
تصویر بازسازی‌شده از دیسک فشرده و سریعچرخان نامتقارن اطراف β CMi. نوار مقیاس سفید در پایین سمت راست یک میلی‌ثانیهٔ قوسی را نشان میدهد — معادل مقیاسی حدود 1.8 متر (تقریباً 6 فوت) در فاصلهٔ ماه. اعتبار تصویر: Yoo Jung Kim/UCLA. این بازسازی نشان‌دهندهٔ توانایی لنترن فوتونیک در آشکارسازی ساختارهای میلی‌ثانیهٔ قوسی و منشأ تغییرات طیفی در خط‌های هیدروژنی است.
در عمل، لنترن فوتونیک به‌عنوان بخشی از ابزاری نو به نام FIRST-PL نصب شد که از همکاری بین‌المللی به رهبری رصدخانهٔ پاریس و دانشگاه هاوایی توسعه یافته و دانشگاه سیدنی و دانشگاه مرکزی فلوریدا نیز در طراحی و ساخت آن سهم داشتند. این واحد در مسیر پس از سامانهٔ Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics (SCExAO) قرار می‌گیرد تا پرتو ستاره‌ای تثبیت‌شده‌ای دریافت کند و سپس لنترن آن را به کانال‌هایی برای اندازه‌گیری‌های دقیق تقسیم میکند. چنین یکپارچه‌سازی میان اپتیک سازگار، کرونوگراف و فوتونیک، امکان ثبت داده‌های با وضوح فضایی و طیفی بسیار بالاتر را فراهم میسازد.
Beating the diffraction limit — not by brute force
«برای هر تلسکوپی با اندازهٔ معین، طبیعت موجی نور حدی برای میزان جزئیاتی که با دوربین‌های تصویربرداری کلاسیک میتوان دید تعیین میکند. این را حد دیفرکشن می‌نامند»، می‌گوید Michael Fitzgerald، استاد فیزیک و نجوم در UCLA و از اعضای پروژه. «تیم ما به‌دنبال استفاده از لنترن فوتونیک بوده تا مرزهای ممکن را جلوتر ببرد.»
برای گذر از محدودیت‌های معمول، تیم روی سه پیشرفت همزمان حساب کرد: اپتیک سازگار فوق‌العاده پایدار برای اصلاح اعوجاجات سریع جوی، لنترن فوتونیک برای نگهداری و طبقه‌بندی سیگنالهای ظریف شکل موج، و روش‌های محاسباتی نوین برای استخراج اطلاعات فضایی از خروجی‌های چندکاناله. ترکیب این رویکردها اجازه داد تا جابهجاییهای تصویر وابسته به طول موج با دقتی حدود پنج برابر بهتر از تنظیمات مشابه پیشین اندازهگیری شود. این به‌معنی توانایی ردیابی حرکات کوچک گاز و ساختارهای دینامیک در مقیاس‌های میلی‌ثانیهٔ قوسی است که پیش از این برای تلسکوپهای منفرد سخت یا غیرممکن بود.
عکس لنترن فوتونیک که بر روی ابزار FIRST-PL در تلسکوپ سوبارو مونت شده است. مثلث زرد مسیر ورود نور به لنترن را نشان میدهد. اعتبار عکس: Sébastien Vievard/University of Hawaiʻi at Manoa. این تصویر نمایی از چیدمان مکانیکی و مسیر اپتیکی را نشان میدهد که برای تثبیت و تقسیم سیگنالهای فضایی-طیفی ضروری است.
این جابهجاییهای وابسته به طول موج اهمیت زیادی دارند زیرا دیسک β CMi انتشارهایی دارد که به‌واسطهٔ اثر داپلر جابجا شده‌اند: گازی که به سمت زمین حرکت میکند، به‌سمت آبی‌تر شدن شیفت میکند و گازی که از ما دور میشود، به سمت قرمزتر شدن. با اندازهگیری تغییر موقعیت ظاهری نشرها نسبت به رنگ (طول موج)، پژوهشگران توانستند حرکت چرخشی را نقشهبرداری کنند و ساختارها را در مقیاس میلی‌ثانیهٔ قوسی مستقیماً تفکیک کنند — در فاصلهٔ β CMi این مقیاس معادل چند واحد نجومی یا کمتر است. چنین دقتی در موقعیت‌یابی فضایی-طیفی برای درک دینامیک دیسک، انتقال تکانه زاویهای و فرایندهای تشکیل سیاره حیاتی است.
A surprising lopsided disk and what it implies
مشاهدات سوبارو تأیید کرد که دیسک غنی از هیدروژن اطراف β CMi فشرده و به‌سرعت می‌چرخد، اما همچنین نامتقارن بودن آن را آشکار ساخت — یک بی‌تقارنی قابل‌اندازه‌گیری در درخشندگی و ساختار دیسک. «ما انتظار نداشتیم چنین نامتقارنی‌ای را آشکار کنیم، و توضیح وجود آن وظیفهٔ فیزیکدانانی خواهد بود که مدلهای این سیستم‌ها را توسعه می‌دهند»، گفت Yoo Jung Kim، دانشجوی دکتری UCLA و نویسندهٔ اول مقالهٔ منتشرشده در Astrophysical Journal Letters که این نتایج را گزارش میدهد.
نامتقارنی‌های دیسک میتواند به چندین علت فیزیکی اشاره کند: حضور یک همراه نزدیک یا مدفون (سیاره یا ستارهٔ همراه) که با گرانش خود گاز را مختل میکند، نوسانات یک‌سویی (one-armed oscillations) در دیسک، گرمایش یا افزایش چگالی موضعی، یا حتی جریانهای دینامیک ناشی از چرخش سریع ستاره. هر یک از این مکانیزم‌ها اطلاعات مهمی به مدلهای تکامل دیسک، انتقال مومنتم زاویهای و احتمال شکلگیری سیاره می‌افزایند و می‌توانند در پیش‌بینی ویژگی‌های سیستم‌های ستاره‌ای جوان نقش داشته باشند.
برای تحلیل دقیق‌تر این نامتقارنی، ترکیب داده‌های فضایی-طیفی با شبیه‌سازی‌های هیدرودینامیکی و مدلهای انتشار خط ضروری است. همچنین مشاهدات تکمیلی در طول موج‌های متفاوت (مثلاً مادون قرمز و رادیو) میتواند تصویر کامل‌تری از پراکندگی گرد و غبار و گاز در دیسک ارائه دهد و کمک کند تا منشأ نامتقارنی روشن شود — آیا نتیجهٔ تداخل گرانشی، ناپایداری‌های داخلی دیسک یا اثرات سطح ستاره است؟
Sébastien Vievard در حال صعود روی ابزار SCExAO که لنترن فوتونیک در آن نصب است تا نقطه‌ای را که نور وارد دستگاه میشود بررسی کند و مطمئن شود المان‌های اپتیکی در موقعیت صحیح قرار دارند. اعتبار عکس: Sébastien Vievard/University of Hawaiʻi at Manoa. نگهداری مکانیکی و تنظیم دقیق در این نوع آزمایش‌ها برای حصول داده‌های پایدار و تکرارپذیر حیاتی است.
Technical hurdles: atmosphere, stability and data
حتی با اپتیک سازگارِ بسیار قوی، لنترن فوتونیک به نوسانات باقیماندهٔ جوی حساس بود. Yoo Jung Kim فیلترهای پردازش دادهٔ جدیدی توسعه داد تا اثرات باقیماندهٔ توربولانس را حذف کند و سیگنالهای فضایی نهفته در کانال‌های لنترن را بازیابی نماید. ترکیب نوآوری در ابزار و الگوریتم یک موضوع تکرارشونده است: دستگاه‌های فوتونیک قابلیت‌های جدیدی را ثبت می‌کنند، اما برای تفسیر این جریان دادهٔ غنی‌تر، نرمافزار و روش‌های تحلیل باید پیشرفته‌تر شوند.
در عمل، تیم باید با چالش‌هایی مانند همزمان‌سازی زمان‌بندی داده‌ها، مدل‌سازی نویزهای سیستماتیک و اصلاح تغییرات حساسیت کانالها روبه‌رو می‌شد. به‌علاوه، فرآیند کالیبراسیون طیفی و فضایی برای تضمین صحت مقیاس‌های موقعیتی در طول موج‌های مختلف حیاتی بود. این مسائل نشان میدهد که پیشرفت‌های سخت‌افزاری باید همزمان با توسعهٔ پایپلاین‌های پردازشی، الگوریتمهای بازسازی تصویر و روش‌های سنجش خطا پیش بروند تا نتایج قابل اتکایی فراهم آید.
Nemanja Jovanovic، یکی از رهبران مطالعه در Caltech، پتانسیل این فناوری را برجسته کرد: «این کار ظرفیت فناوری‌های فوتونیک را برای امکان‌بخشی به اندازه‌گیری‌های نوین در نجوم نشان میدهد. ما تازه آغاز کرده‌ایم. امکانات واقعاً هیجان‌انگیزند.» این دیدگاه نشان میدهد که لنترن‌های فوتونیک می‌توانند به‌عنوان بخشی از مجموعه ابزار ستاره‌شناسی دقیق‌تر، به‌مرور در طیف وسیعی از برنامه‌های علمی از تصویربرداری با کنتراست بالا تا اخترسنجی دقیق (precision astrometry) کاربردی شوند.
Why this matters for the future of high-resolution astronomy
- تلسکوپهای کوچک‌تر می‌توانند بدون نیاز به ساخت دهانه‌های بزرگ‌تر یا آرایههای طولانی‌پایه، به رزولوشن مؤثر بالاتری دست یابند؛ این موضوع هزینه و پیچیدگی را برای برخی موارد علمی کاهش میدهد و دسترسی به تصویربرداری با وضوح بالا را گسترش میدهد.
- ابزارهای مبتنی بر فوتونیک به‌خوبی قابل مقیاس‌پذیری هستند: مفاهیم مبتنی بر لنترن را میتوان برای تداخل‌سنجی، اسپکتروگراف‌ها یا تغذیهٔ همزمان چندین ابزار علمی سازگار کرد و بدین ترتیب بهره‌وری تلسکوپ‌ها را افزایش داد.
- اندازه‌گیری‌هایی که به جابهجاییهای ظریف وابسته به طول موج حساس‌اند، تشخیص‌های جدیدی برای سینماتیک دیسکها، ویژگی‌های سطحی ستارگان و کشف همراهان کمنور در نزدیکی ستارگان پرنور ارائه می‌دهند؛ این توانایی‌ها برای مطالعهٔ دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای و جستجوی سیاره‌های جوان حیاتی است.
کل آزمایش — از طراحی سختافزار تا پایپلاین‌های داده — روی تلسکوپ سوبارو به نمایش گذاشته شد و در Astrophysical Journal Letters مستند شد. این رویکرد احتمالاً روی اهداف و ابزارهای دیگر آزمایش خواهد شد و میتواند در تصمیم‌گیری‌های طراحی برای تأسیسات نسل بعدی و ارتقاء اسپکتروگراف‌های تغذیه‌شده از اپتیک سازگار نقش‌آفرین باشد. همچنین نتایج میتواند به تعیین استراتژی‌های مشاهده برای آشکارسازی و ردیابی تکامل دیسک‌های جوان کمک کند.
Expert Insight
«این آزمایش نشان میدهد چگونه فوتونیک میتواند به‌عنوان یک ضریب تقویت‌کننده برای تلسکوپهای موجود عمل کند»، می‌گوید دکتر Amina Patel، اخترفیزیک‌دان در مؤسسهٔ علوم تلسکوپ فضایی (اظهارنظر برای زمینه). «با تبدیل ساختار فضایی به سیگنالهای کانالیزه‌شده قابل اندازهگیری، لنترن‌های فوتونیک به ما اجازه می‌دهند اطلاعاتی را استخراج کنیم که در غیر این صورت پراکنده و محو می‌شد. این به‌ویژه برای مطالعهٔ ویژگی‌های پویای مقیاس کوچک در دیسکها و یافتن همراهان کمنور نزدیک ستارگان پرنور اهمیت دارد. این تکنیک جایگزین دهانه‌های بزرگ یا تداخلسنجها نخواهد شد، اما ابزار قدرتمندی برای کاربرد در شرایطی که حساسیت و پایداری اجازه میدهد فراهم می‌آورد.»
نگاهی رو به آینده، ستاره‌شناسان انتظار دارند لنترن‌های فوتونیک را با تلسکوپهای بزرگ‌تر ترکیب کنند، طراحی‌های لنترن را با کانال‌های بیشتر و پوشش طول موجی گسترده‌تر توسعه دهند و الگوریتمهای پردازشی را برای مقابله با نویز و سیستماتیک‌های واقعی پالایش کنند. با بلوغ این اجزا، این رویکرد میتواند به تصویربرداری کنتراست بالا از سیارات فراخورشیدی، نقشه‌های دقیق از دیسک‌های ستاره‌ای جوان و روش‌های نوین اخترسنجی دقیق با تلسکوپهای منفرد کمک کند. در مجموع، ترکیب فوتونیک، اپتیک سازگار و تحلیل دادهٔ پیشرفته افق‌های جدیدی در رصدهای با وضوح فضایی و طیفی باز میکند.
منبع: scitechdaily
نظرات
مکس_ایکس
اگه این کار مقیاس‌پذیر باشه، تلسکوپای کوچیک هم می‌تونن کارای بزرگ کنن. سوالم: نویز سیستم چقدره؟
آرمین
زیباست ولی حس میکنم یه کم اغراق شده، ادعاها باید با مشاهدات بیشتر ثابت بشه، وگرنه چشم‌نوازه
آستروست
من تو آزمایشگاه با فیبرهای اپتیکی کار کرده‌م، مشکل اصلی همیشه کالبراسیون بوده... این تیم خوب جلو رفته ولی منتظر داده‌های مستقل هستم
دیتاپالس
وای نمیدونستم با یک لنترن فوتونیک بشه اینقدر دقیق دید! تصاویری از دیسک میلی‌ثانیه‌ای، عالی ولی سنگینه روی پردازش…
ارسال نظر