Die Himmelsbeobachtung von der Erde aus wird oft durch die Launen unserer Atmosphäre behindert, die das Licht von Sternen und Galaxien verschwimmen lässt. Eine kürzliche mathematische Innovation könnte dies ändern, indem sie Bilder von erdgebundenen Teleskopen so scharf wie möglich macht, ohne dass man unseren Planeten verlassen muss.
Der neue Algorithmus mit dem Namen ImageMM wurde vom Mathematiker Yashil Sukurdeep von der Johns Hopkins University entwickelt. Er stützt sich auf die Majorisierungs-Minimierungs-Methode, einen mathematischen Ansatz, der modelliert, wie Licht die turbulente Atmosphäre durchquert. Indem man diese Verzerrungen versteht, kann der Algorithmus sie digital korrigieren und bisher verborgene Details enthüllen. Tests am acht Meter großen Subaru-Teleskop auf dem Mauna Kea in Hawaii zeigten signifikante Verbesserungen gegenüber früheren Techniken.
Vergleich eines typischen Subaru-Bildes (links), seiner Verbesserung mit früheren Techniken (Mitte) und dem Endergebnis mit ImageMM (rechts).
Bildnachweis: Yashil Sukurdeep (Johns Hopkins University) et al/Subaru Telescope. Die Erdatmosphäre wirkt wie ein sich bewegender Schleier, der das Licht durch Temperaturschwankungen, Druckänderungen und Schwebeteilchen verzerrt. Dieses Phänomen, von Astronomen als "Seeing" bezeichnet, lässt Sterne flackern und verringert die Schärfe der Bilder. Um dem entgegenzuwirken, verwenden Wissenschaftler adaptive Optiksysteme, die die Teleskopspiegel in Echtzeit anpassen, aber diese Methoden beseitigen nicht alle Unvollkommenheiten. ImageMM geht weiter, indem es eine Reihe unvollkommener Beobachtungen analysiert, um ein nahezu ideales Bild zu rekonstruieren, als ob man durch absolut ruhige Luft blicken würde.
Die geplante Anwendung für ImageMM betrifft das Vera C. Rubin Observatorium in Chile, das dieses Jahr seinen wissenschaftlichen Betrieb aufnehmen wird. Eines seiner Ziele ist die Kartierung der Dunklen Materie im Universum, indem gemessen wird, wie ihre Masse das Licht von Galaxien leicht verzerrt, ein Effekt, der als schwacher Gravitationslinseneffekt bezeichnet wird. Durch die Verfeinerung der Bilder wird der Algorithmus in der Lage sein, diese Verzerrungen mit erhöhter Genauigkeit zu erkennen, was entscheidend ist, um die Geheimnisse dieser unsichtbaren Komponente des Universums zu entschlüsseln.
Obwohl Weltraumteleskope wie Hubble und James Webb Bilder von höherer Qualität liefern, haben sie ein eingeschränktes Sichtfeld. Im Gegensatz dazu deckt das Vera C. Rubin Observatorium einen großen Himmelsbereich ab, der sieben Vollmonden entspricht. Durch die Kombination dieser Weite mit der von ImageMM gebotenen Schärfe können Astronomen groß angelegte Studien mit verbesserter Auflösung durchführen. Wie Tamás Budavári von der Johns Hopkins University betonte, kann selbst ein kleiner Qualitätsgewinn enorme Auswirkungen auf die Beobachtungen von milliardenteuren erdgebundenen Observatorien haben.
Die vielversprechenden Ergebnisse von ImageMM ebnen den Weg für eine neue Ära der bodengebundenen Astronomie. Indem sie die Grenzen der Auflösung verschiebt, könnte dieses Werkzeug helfen, fundamentale Fragen zur Struktur des Universums zu beantworten. Die Arbeit wurde in
The Astronomical Journal veröffentlicht und markiert einen wichtigen Schritt hin zu klareren und präziseren Beobachtungen von unserem Planeten aus.
Adaptive Optik: Korrektur atmosphärischer Turbulenzen in Echtzeit
Adaptive Optik ist eine Technologie, die in großen erdgebundenen Teleskopen verwendet wird, um die Auswirkungen der Atmosphäre auszugleichen. Sie funktioniert, indem ein Laser in den Himmel projiziert wird, um einen künstlichen Referenzstern zu erzeugen, dessen Schwankungen kontinuierlich gemessen werden.
Ein Computer analysiert diese Daten und steuert Aktoren, die den Teleskopspiegel leicht verformen, und das mehrere hundert Mal pro Sekunde. Diese Anpassungen wirken den atmosphärischen Verzerrungen entgegen und ermöglichen so schärfere Bilder.
Diese Technik ist besonders nützlich für die Beobachtung von Planeten, Sternen und nahen Galaxien, wo Auflösung entscheidend ist. Sie hat es ermöglicht, mit Weltraumteleskopen für bestimmte Anwendungen zu konkurrieren, ohne die hohen Startkosten.
Allerdings beseitigt adaptive Optik die Unschärfe nicht vollständig und kann durch Wetterbedingungen eingeschränkt werden. Deshalb ergänzen Algorithmen wie ImageMM diese Systeme durch Nachbearbeitung, um eine optimale Bildqualität zu erreichen.
Quelle: The Astronomical Journal