Wetenschappers van het National Solar Observatory van de Amerikaanse National Science Foundation en het New Jersey Institute of Technology hebben de mooiste beelden van de corona van de zon tot nu toe gemaakt. Om deze hogeresolutiebeelden en -films te kunnen maken, ontwikkelde het team een nieuw 'coronal adaptive optics'-systeem dat onscherpte uit beelden verwijdert die wordt veroorzaakt door de aardatmosfeer. Hun baanbrekende resultaten zijn onlangs gepubliceerd in Nature Astronomy en maken de weg vrij voor een dieper inzicht in coronale verwarming, zonne-uitbarstingen en ruimteweer, en openen een mogelijkheid voor nieuwe ontdekkingen in de atmosfeer van de zon.
De corona van de zon, de buitenste laag van de atmosfeer, alleen zichtbaar tijdens een totale zonsverduistering, intrigeert wetenschappers al lange tijd vanwege de extreme temperaturen, gewelddadige uitbarstingen en grote protuberansen. Turbulentie in de atmosfeer van de aarde heeft echter beeldonscherpte veroorzaakt en waarnemingen van de corona belemmerd. Een baanbrekende recente ontwikkeling door wetenschappers van het National Solar Observatory (NSO) van de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) en het New Jersey Institute of Technology (NJIT) brengt daar verandering in door gebruik te maken van adaptieve optiek om de onscherpte te verwijderen. Zoals gepubliceerd in Nature Astronomy, heeft deze baanbrekende 'coronal adaptive optics' technologie de meest verbazingwekkende, helderste beelden en video's van fijnstructuur in de corona tot nu toe opgeleverd. Deze ontwikkeling opent de deur naar diepere inzichten in het raadselachtige gedrag van de corona en de processen die het ruimteweer aandrijven.
Meest gedetailleerde coronale beelden tot nu toe
Gefinancierd door de NSF en geïnstalleerd op de 1,6-meter Goode Solar Telescope (GST), beheerd door NJIT's Center for Solar-Terrestrial Research (CSTR) bij Big Bear Solar Observatory (BBSO) in Californië, compenseert “Cona”, het adaptieve optieksysteem dat verantwoordelijk is voor deze nieuwe beelden, de wazigheid die wordt veroorzaakt door luchtturbulentie in de atmosfeer van de aarde, vergelijkbaar met de hobbelige lucht die passagiers voelen tijdens een vlucht. “De turbulentie in de lucht verslechtert de beelden van objecten in de ruimte, zoals onze zon, die we door onze telescopen zien. Maar wij kunnen daarvoor corrigeren,” zegt Dirk Schmidt, NSO-wetenschapper op het gebied van adaptieve optiek, die de ontwikkeling leidde. Een van de opmerkelijke waarnemingen van het team is een film van een snel herstructurerende protuberans die fijne, turbulente interne stromingen onthult. Zonnevlammen zijn grote, heldere objecten die zich vaak als bogen of lussen uitstrekken vanaf het oppervlak van de zon.
Een doorbraak in adaptieve optica voor de zon
De corona wordt verhit tot miljoenen graden, veel heter dan het oppervlak van de zon, door mechanismen die wetenschappers niet kennen. Het is ook de thuisbasis van dynamische verschijnselen van veel koeler zonneplasma dat roodachtig-roze verschijnt tijdens eclipsen. Wetenschappers geloven dat het oplossen van de structuur en dynamiek van het koelere plasma op kleine schaal de sleutel is tot het oplossen van het mysterie van coronale verwarming en het verbeteren van ons begrip van uitbarstingen die plasma in de ruimte uitstoten en die ruimteweer veroorzaken, dat wil zeggen de omstandigheden in de nabije omgeving van de aarde die voornamelijk worden beïnvloed door de activiteit van de zon (zoals zonnevlammen, coronale massa-uitbarstingen en de zonnewind) en die invloed kunnen hebben op technologie en systemen op aarde en in de ruimte. De vereiste nauwkeurigheid vereist grote telescopen en adaptieve optieksystemen zoals het systeem dat door dit team is ontwikkeld.
Het GST-systeem Cona gebruikt een spiegel die zichzelf continu 2.200 keer per seconde vervormt om de beelddegradatie veroorzaakt door turbulente lucht tegen te gaan. “Adaptieve optiek is als een opgepompte autofocus en optische beeldstabilisatie in je smartphone camera, maar corrigeert de fouten in de atmosfeer in plaats van de trillende handen van de gebruiker,” zegt BBSO Optical Engineer en Chief Observer, Nicolas Gorceix. Sinds het begin van de jaren 2000 wordt adaptieve optiek gebruikt in grote zonnetelescopen om beelden van het oppervlak van de zon volledig tot hun recht te laten komen, waardoor telescopen hun theoretische diffractielimieten kunnen bereiken, d.w.z. de theoretische maximale resolutie van een optisch systeem. Deze systemen hebben sindsdien een revolutie teweeggebracht in het observeren van het oppervlak van de zon, maar tot nu toe waren ze niet bruikbaar voor observaties in de corona; en de resolutie van kenmerken voorbij de zonnelimiet stagneerde op een niveau van 1000 kilometer of slechter, een niveau dat 80 jaar geleden werd bereikt. “Het nieuwe coronale adaptieve optieksysteem dicht deze decennia oude leemte en levert beelden van coronale kenmerken met een resolutie van 63 kilometer, de theoretische limiet van de 1,6-meter Goode zonnetelescoop”, zegt Thomas Rimmele, hoofdtechnoloog bij NSO, die de eerste operationele adaptieve optiek voor het oppervlak van de zon bouwde en de ontwikkeling motiveerde.
Implicaties voor de toekomst
Coronale adaptieve optiek is nu beschikbaar bij GST. “Deze technologische vooruitgang is een game-changer, er valt veel te ontdekken als je je resolutie met een factor 10 verhoogt,” zegt Schmidt. Het team weet nu hoe de resolutielimiet die wordt opgelegd door de laagste regio van de atmosfeer van de aarde, de troposfeer, kan worden overwonnen bij waarnemingen voorbij de zonnelimiet en werkt nu aan de toepassing van de technologie op de 4-meter NSF Daniel K. Inouye Zonnetelescoop, gebouwd en geëxploiteerd door de NSO in Maui, Hawaï. s Werelds grootste zonnetelescoop zou nog kleinere details in de atmosfeer van de zon kunnen zien. “Deze transformerende technologie, die waarschijnlijk door observatoria over de hele wereld zal worden gebruikt, zal de zonneastronomie op de grond een nieuwe vorm geven”, zegt Philip R. Goode, vooraanstaand onderzoeksprofessor natuurkunde aan NJIT-CSTR en voormalig directeur van BBSO, die meeschreef aan het onderzoek. “Nu coronale adaptieve optiek operationeel is, markeert dit het begin van een nieuw tijdperk in de zonnefysica, wat nog veel meer ontdekkingen belooft in de komende jaren en decennia.” Het artikel over dit onderzoek, getiteld “Observations of fine coronal structures with high-order solar adaptive optics,” is nu beschikbaar in Nature Astronomy.
Wat is het Big Bear Solar Observatory?
Het Center for Solar-Terrestrial Research (CSTR) aan het New Jersey Institute of Technology (NJIT) is een internationale leider in zonne- en aardfysica op de grond en in de ruimte, met interesse in het begrijpen van de effecten van de zon op de geo-ruimteomgeving. CSTR beheert samen met een aantal andere observatoria het Big Bear Solar Observatory (BBSO). BBSO ligt aan de noordkant van Big Bear Lake in de San Bernardino Mountains in het zuidwesten van San Bernardino County, Californië, ongeveer 75 mijl ten oosten van het centrum van Los Angeles. BBSO heeft een Goode Solar Telescope (GST) met een vrije doorlaat van 1,6 meter, die geen verduistering in de optische trein heeft. De telescopen en instrumenten van het observatorium zijn speciaal ontworpen en worden gebruikt om de activiteiten en verschijnselen van de zon te bestuderen. GST was tien jaar lang de grootste zonnetelescoop ter wereld met de hoogste resolutie en is een toonaangevende faciliteit voor zonnefysisch onderzoek. Het NSF National Solar Observatory en BBSO werken al meer dan twintig jaar samen om adaptieve optiektechnologieën voor zonneobservaties te ontwikkelen en te bevorderen. De GST is een cruciale faciliteit geweest voor het ontwikkelen en testen van prototypes voor de 4-meter NSF Daniel K. Inouye Zonnetelescoop, die in 2022 's werelds grootste zonnetelescoop werd. GST's eerste coronale adaptieve optieksysteem Cona is het nieuwste product van deze succesvolle en baanbrekende samenwerking.
Bron: NSO
