ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2009, том 35, № 8, с. 606-614
УДК 520.16
ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ В СВОБОДНОЙ АТМОСФЕРЕ НАД ГОРОЙ МАЙДАНАК В 2005-2007 гг.
© 2009 г. В. Корнилов1*, С. Ильясов2, О. Возякова1, Ю. Тиллаев2, Б. Сафонов1, М. Ибрагимов2, Н. Шатский1, Ш. Эгамбердиев2
1 Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга, Москва 2Астрономический институт им. Улугбека АН РУз, Ташкент Поступила в редакцию 26.12.2008 г.
Представлены результаты кампании 2005—2007 гг. по измерению вертикального распределения оптической турбулентности над горой Майданак. Измерения были выполнены с использованием прибора MASS — многоапертурного анализатора звездных мерцаний, широко применяющегося для подобных исследований в последние годы на многих обсерваториях мира. Анализ данных показывает, что медианное значение качества изображения в свободной атмосфере (на высотах 0.5 км и выше) составляет 0'.'46, а угла изопланатизма — 2". 47. С учетом большой постоянной времени (около 7 мс при хороших изображениях) такие условия благоприятны для использования адаптивной оптики и интерферометрических измерений в видимой и ближней ИК-областях спектра.
Ключевые слова: астроклимат, качество изображения, адаптивная оптика.
MEASUREMENTS OF OPTICAL TURBULENCE IN A FREE ATMOSPHERE ABOVE MOUNT MAIDANAK IN 2005-2007, by V. Kornilov, S. Ilyasov, O. Vozyakova, Yu. Tillaev, B. Safonov, M. Ibragimov, N. Shatsky, and Sh. Egamberdiev. We present the results of our 2005-2007 campaign to measure the vertical distribution of optical turbulence above Mount Maidanak. The measurements were performed with the MASS instrument, a multiaperture stellar scintillation analyzer that has been widely used for such studies in recent years at many observatories worldwide. Analysis of the data shows that the median seeing in a free atmosphere (at an altitude of 0.5 km or higher) is 0'.'46, while the isoplanatic angle is 2'.'47. Given the large time constant (about 7 ms at good seeing), such conditions are favorable for using adaptive optics and interferometric measurements in the visible and near-infrared spectral ranges.
PACS numbers: 95.75.Qr; 43.28.Vd
Key words: astroclimate, seeing, adaptive optics.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее десятилетие исследования атмосферной оптической турбулентности переживают новый подъем. Вызвано это не только тем, что начали реализовываться проекты поиска мест для сверхкрупных телескопов, но и тем, что потенциал существующих обсерваторий может быть заметно повышен за счет использования адаптивных оптических систем (АО).
Хорошо известно, что знания лишь интегральной турбулентности на луче зрения недостаточно для оценки перспектив применения систем АО и,
Электронный адрес: victor@sai.msu.ru
тем более, для их проектирования (см., например, Вернен и др., 1991; Родье, 1999; Вильсон и др., 2003; Фуэнсалида и др., 2004; Токовинин и др., 2003а). Для этого необходима информация о высотном распределении турбулентности. Также известно, что прогноз фотометрической и астрометрической точности астрономических измерений напрямую связан с высотным профилем турбулентности (Дравинс и др., 1997; Кеньон и др., 2006; Шао, Колавита, 1992). Напомним, что в 70—80 гг. дискуссия о высотном распределении часто сводилась к оценке роли приземного слоя в контексте обсуждения оптимальной высоты башни телескопа.
Астроклиматические характеристики Майда-
накской обсерватории достаточно подробно исследованы в течение многих лет и нескольких крупных кампаний. Одна из них состоялась в 1998—1999 гг., ее результаты подробно изложены в работах Ильясова и др. (1999) и Эгамбердиева и др. (2000). Во время этой кампании были выполнены первые оценки вклада турбулентности в свободной атмосфере в полное качество изображения (Корнилов, Токовинин, 2001), основанные на анализе звездных мерцаний. Оказалось, что роль свободной атмосферы в искажении волнового фронта оптического излучения весьма значима (около 30%).
Развитие эффективной методики измерения высотного распределения турбулентности по мерцаниям звезд (Токовинин, Корнилов, 2002; Корнилов и др., 2003; Токовинин и др., 2003б) и разработка соответствующих приборов позволили нам в начале 2005 г. поставить задачу о проведении 2—3 летних измерений высотного распределения оптической турбулентности в атмосфере над Майданак-ской обсерваторией, что и было осуществлено в 2005-2007 гг.
МЕТОД ИЗМЕРЕНИЙ И МНОГОАПЕРТУРНЫЙ ДЕТЕКТОР ЗВЁЗДНЫХ МЕРЦАНИЙ (MASS)
В основе метода измерений высотного распределения оптической турбулентности лежит тот факт, что величина звездных мерцаний в разных приемных апертурах по-разному зависит от высоты турбулентного слоя.
Как известно (Татарский, 1967; Родье, 1981), эффект звездных мерцаний возникает из-за того, что фазовые искажения фронта световой волны, прошедшей через оптически-турбулентный слой, по мере распространения переходят в амплитудные искажения, и характеристики последних (величина и пространственный спектр) зависят от дистанции распространения.
Величина мерцаний характеризуется индексом мерцаний s2, представляющим собой дисперсию относительных вариаций потока в некоторой приемной апертуре. В работе Токовинина (1998) это понятие было расширено на случай одновременного измерения потоков в двух разных апертурах. Соответствующие нормальные и дифференциальный индексы могут быть непосредственно измерены, а, с другой стороны, вычислены путем интегрирования распределения интенсивности оптической турбулентности по высоте с соответствующими весовыми функциями. Весовые функции рассчитываются исходя из известных размеров апертур и спектрального состава излучения. При вычислениях существенным является правомерность применения метода слабых возмущений и колмогоровской
модели турбулентности. Как правило, и то, и другое реализуется в типичных условиях, пригодных для астрономических наблюдений.
Развитие этого метода подробно описано в работах Корнилова и др. (2003) и Токовинина и др. (2003б), где также приведены конкретные алгоритмы определения интенсивности турбулентности как функции высоты, рассмотрено влияние различного рода аппаратурных и модельных факторов на точность получаемых данных. Исследования показывают (Токовинин, Корнилов, 2007; Корнилов и др., 2007), что точность определения мощности турбулентности при представлении высотного распределения в виде шести высотных слоев заведомо лучше 10%. Независимая проверка этих результатов для обсерваторий (Муньоз-Тюньон и др., 1997; Фуэнсалида и др., 2007; Садыбекова и др., 2006) была осуществлена с использованием прибора SCIDAR (Scintillation détection and ranging; Азуи, Вернен, 1980; Фукс и др., 1998).
Прибор MASS, по сути, представляет собой четырехканальный быстродействующий фотометр, измеряющий флюктуации световых потоков от достаточно яркой звезды в четырех концентрических апертурах диаметром от 2 до 10 см. Подробно устройство прибора описано в работе Корнилова и др. (2003). В качестве питающей оптики можно использовать любой телескоп с входной апертурой около 12—15 см без центрального экранирования и с фокусным расстоянием около 3 м.
Особенностью данного метода является его нечувствительность к приземной турбулентности. Поэтому для измерения интегральной турбулентности на луче зрения для определения полного качества изображения необходимо использование других методов, например, измерения дифференциальных дрожаний звездных изображений с прибором DIMM (Саразен, Родье, 1990). Напомним, что под качеством изображения понимается полуширина зарегистрированного с длинной экспозицией звездного изображения, построенного идеальным большим телескопом. Качество изображения, соответствующее всей толще атмосферы за исключением приземного слоя, называется качеством изображения в свободной атмосфере Aree. Надежная оценка этой величины получается при учете всей турбулентности начиная с h = 0.5 км (Корнилов и др., 2003; Токовинин и др., 2003б).
Для исследования высотного распределения оптической турбулентности над горой Майданак использовался прибор MASS первого поколения (Original MASS), разработанный и изготовленный в 2001—2002 гг. в ГАИШ совместно с обсерваторией Серро-Тололо и Европейской Южной обсерваторией.
* 1.0
- 0.8
- 0.6
- 0.4
0.2
0
Канал MASS Зеркала сегментатора Эффективная апертура
d-u мм d0, мм d-u см do, см
А — 1.03 — 1.60
В 1.05 1.90 1.62 2.93
С 1.95 3.60 3.00 5.54
D 3.65 6.75 5.62 10.4
400
450 500 550 600 650
0.5 1.0
B-V
Рис. 1. Уравнение цвета прибора MAS S при установке его на телескопе-рефракторе АФР-2: звездочки — реальные звезды, кривая — параболическая аппроксимация, кружки — вычисленные цветовые зависимости для используемых типичных спектральных распределений звезд после коррекции кривой спектральной чувствительности системы.
ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИИ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ
Измерения на Майданакской обсерватории проводились с августа 2005 г. по ноябрь 2007 г. Прибор MASS был установлен на телескопе-рефракторе АФР-2 с диаметром объектива 23 см и фокусным расстоянием 230 см. Заметим, что для получения корректных данных при установке прибора на питающий телескоп необходима юстировка его линзы Фабри, определяющей эффективные диаметры рабочих апертур, спроецированных в плоскость входного зрачка телескопа (Корнилов и др., 2003, 2007). Определенный во время этой процедуры коэффициент увеличения на линзе Фабри составил 15.4. Повторный контроль в 2006 г. подтвердил это значение. Физические размеры сегментатора MASS и размеры эффективных
Таблица 1. Размеры приемных апертур прибора
Рис. 2. Исходная (черные кружки) и скорректированная (пустые кружки) кривые спектральной чувствительности системы (детекторы MASS + телескоп).
апертур приведены в табл. 1. Видно, что размер апертуры канала A меньше типичного значения
радиуса Френеля VАН = 3—7 см в зависимости от высоты турбулентности, а размер апертуры в канале D больше, что является условием успешного применения методики восстановления профилей.
Напомним, что вычисляемые весовые функции зависят от спектрального состава регистрируемого излуче
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.