VLT 적응광학모드로 촬영된 고해상도 사진들

 

Credit:ESO/P. Weilbacher (AIP)

 

사진 1> 이 해왕성 사진은 ESO VLT에 장착된 MUSE/GALACSI의 협대역적응광학모드를 테스트하는 중에 촬영된 것이다.

이 사진의 해상도는 허블우주망원경이 촬영한 사진보다 더 우수한 수준이다.

 

Credit:ESO/P. Weilbacher (AIP)

사진 2> 왼쪽 사진은 적응광학시스템에 의해 보정이 이뤄진 해왕성의 사진이며, 오른쪽 사진은  적응광학 시스템에 의한 보정이 이뤄지기 전 사진이다.

 

Credit:ESO/P. Weilbacher (AIP)/NASA, ESA, and M.H. Wong and J. Tollefson (UC Berkeley)

 

사진 3> 적응광학시스템이 적용된 해왕성 사진의 해상도는 오른쪽 허블우주망원경이 촬영한 해왕성 사진과 비견할만한다. 

사진에 보이는 해왕성의 표면 구조가 다른 것은 사진을 촬영한 때가 다르기 때문이다.

 

 

Credit:ESO/S. Kammann (LJMU)

 

사진 4> 이 사진은 ESO VLT에 장착된 MUSE/GALACSI 의 협대역적응광학모드를 테스트하는 중에 촬영한 구상성단 NGC 6388의 사진이다.

왼쪽사진은 MUSE 광대역보드에서 촬영된 것이다. 

가운데 사진은 적응광학시스템의 도움없이 촬영된 이 사진의 중심부 작은 영역을 확대한 것이다.

오른쪽사진은 적응광학시스템을 동작시킨 상태에서 협대역모드로 촬영한 사진이다.

 

 

ESO VLT가 레이저단층기법이라 불리는 새로운 적응광학기술을 이용한 첫번째 관측을 진행했다. 

그리고 이로부터 해왕성 및 여러 성단, 여러 천체들을 인상적인 해상도로 촬영한 테스트 사진을 발표하였다. 

협대역 모드의 선구적 장비인 MUSE 및 GALACSI 적응광학 모듈을 함께 활용하여 대기상의 서로 다른 고도에서 나타나는 대기의 흐름을 교정할 수 있는 새로운 기술을 사용할 수 있게 된 것이다.

이로써 지상에 망원경에서 가시광선대역으로 관측한 데이터가 우주에 위치한 허블우주망원경보다 훨씬 더 높은 해상도를 달성할 수 있게 되었다.

정교한 해상도와 분광성능의 조합은 천문학자들로 하여금 과거보다 훨씬더 세밀하게 대상 천체의 속성을 연구할 수 있게 해 줄 것이다.

 

 

ESO에 장착된 MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer, 광시야분광관측기)는 GALACSI라 불리는 적응광학시스템과 함께 작동한다.

이러한 조합은 적응광학설비의 하위시스템인 레이저가이드별장비(the Laser Guide Star Facility, 4LGSF)를 활용한다.

 

적응광학설비는 VLT를 구성하는 망원경 중 4번 망원경에 제공되고 있는 설비이다.

MUSE는 이러한 새로운 설비의 이점을 활용하고 있는 첫번째 장비이며 현재 광대역 모드와 협대역 모드라는 두 개의 모드를 갖추고 있다.[1]

 

MUSE 광대역 모드는 GALACSI의 지표층 모드와 함께 망원경으로부터 1킬로미터 상공의 상대적으로 넓은 대역에서 대기의 어른거림을 교정하는 기능을 수행한다.

그러나 새로운 협대역모드는 레이저단층기법을 이용하여 망원경 위쪽 대기 전체에서 나타나는 어른거림을 교정하여 훨씬 더 높은 해상도의 사진을 촬영할 수 있게 해준다. 다만 그 폭은 훨씬 좁다.[2]

 

이러한 조건하에서 8미터 직경의 4번 망원경은 해당 망원경이 도달할 수 있는 이론상 최상급의 관측 능력에 도달하게 되며 더 이상 대기의 어른거림이라는 제약사항에 얽매이지 않게 된다.

가시광선에서 이와 같은 성과를 얻는 것은 매우 어려운 일이며 이를 통해 얻은 사진의 해상도는 허블우주망원경과 비견할 만한 수준이다.

 

이러한 성과는 멀리 떨어진 은하의 한복판에 자리잡고 있는 초거대질량 블랙홀이나 갓 태어난 별에서부터 뿜어져나오는 제트, 구상성단과 초신성, 태양계 행성들이나 여러 위성들과 같은 환상적이 천체들을 유례없이 세밀하게 연구할 수 있게 되었음을 의미한다.

 

적응광학은 지상에 위치한 모든 천문대가 직면하고 있는 관측상의 문제점인 시상척도로 알려진 지구대기의 어른거림을 상쇄하는 기술이다.

이와 같은 대기상의 기류변화는 별빛이 빛나는 것처럼 보이게 만드는 원인이 되며 거대한 망원경들이 촬영한 우주의 상이 흐려지게 만드는 원인이 된다.

 

별이나 은하로부터 온 빛은 대기를 통과하면서 뒤틀리게 된다. 

따라서 천문학자들은 이처럼 왜곡된 화상을 인공적으로 개선시키는 기술을 반드시 활용해야 한다.

 

이러한 목적을 달성하기 위해 VLT 4번 망원경에는 4개의 밝은 레이저가 장착되어 있다. 

이 레이저는 지름 30센티의 주황색 고출력 레이저를 대기에 쏘아올리고 이 레이저는 높은 고도의 나트륨원자를 자극하여 인공적인 레이저가이드별을 만들어내게 된다.

 

적응광학시스템은 바로 이 인공별의 빛을 이용한다. 

이를 통해 대기상의 기류를 측정하고 이를 상계하기 위한 계산을 초당 1천 회 수행한다. 

그 계산결과는 얇고 변형이 가능한 부경에 전달되며 부경은 계산결과에 의거하여 지속적으로 그 형태를 변화시켜 구부러진 빛을 교정한다.

 

MUSE만이 적응광학설비의 덕을 보는 장비만은 아니다.

 

GRAAL이라는 이름을 가진 또다른 적응광학시스템이 이미 적외선 카메라 HAWK-I와 함께 운용되고 있으며 향후 보다 강력한 새로운 장비인 ERIS 가 뒤를 잇게 될 예정이다.

 

적응광학기술의 주목할만한 발전은 이미 ESO의 여러 망원경의 관측능력을 향상시켜주고 있다.

 

새로운 모드는 앞으로 운영될 ESO ELT 망원경에도 사용될 예정이다. 

 

각주 

[1] 광대역모드에서 MUSE와 GALACSI는 이미 1각분의 시야에서 0.2 X 0.2 각초 픽셀 크기의 교정능력을 제공하고 있다.

이번 협대역모드에서 CALACSI는 7.5 각초보다 훨씬 더 미세한 영역을 대응하고 있다. 

고작 0.025 X 0.025각초라는 훨씬 미세한 영역에서 극강의 해상도를 구현하고 있는 것이다.  

   

[2] 대기의 요동은 고도에 따라 다양하게 나타난다. 어떤 층에서는 별이나 천체로부터 오는 빛을 훨씬 더 많이 흐트러뜨리기도 한다.

레이저단층기법을 활용하는 복잡한 적응광학기법은 이러한 대기층에서 나타나는 대기의 요동을 교정하는데 역점을 두고 있다. 

MUSE/GALACSI 협대역모드에서는 고도 0킬로미터(지표층으로 항상 중요하게 다뤄지는 요소이다), 3킬로미터, 9킬로미터, 14킬로미터에서 대상 고도를 선택한다. 

교정 알고리즘은 이렇게 선택된 층들에 최적화되며 천문학자들은 이를 이용하여 자연 가이드별을 이용하여 촬영한 것처럼, 그리고 해당 망원경의 이론상 관측능력한계치까지 도달한 좋은 품질의 사진을 얻을 수 있게 된다.

 

 

출처 : 유럽남부천문대(European Southern Observatory) Photo Release  2018년 7월 18일자 

       http://www.eso.org/public/news/eso1824/

         

참고 : 해왕성에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 확인할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346951

         

원문>

eso1824 — Photo Release

Supersharp Images from New VLT Adaptive Optics

18 July 2018

SO’s Very Large Telescope (VLT) has achieved first light with a new adaptive optics mode called laser tomography — and has captured remarkably sharp test images of the planet Neptune, star clusters and other objects. The pioneering MUSE instrument in Narrow-Field Mode, working with the GALACSI adaptive optics module, can now use this new technique to correct for turbulence at different altitudes in the atmosphere. It is now possible to capture images from the ground at visible wavelengths that are sharper than those from the NASA/ESA Hubble Space Telescope. The combination of exquisite image sharpness and the spectroscopic capabilities of MUSE will enable astronomers to study the properties of astronomical objects in much greater detail than was possible before.

The MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) instrument on ESO’s Very Large Telescope (VLT) works with an adaptive optics unit called GALACSI. This makes use of the Laser Guide Star Facility, 4LGSF, a subsystem of the Adaptive Optics Facility (AOF). The AOF provides adaptive optics for instruments on the VLTs Unit Telescope 4 (UT4). MUSE was the first instrument to benefit from this new facility and it now has two adaptive optics modes — the Wide Field Mode and the Narrow Field Mode [1].

The MUSE Wide Field Mode coupled to GALACSI in ground-layer mode corrects for the effects of atmospheric turbulence up to one kilometre above the telescope over a comparatively wide field of view. But the new Narrow Field Mode using laser tomography corrects for almost all of the atmospheric turbulence above the telescope to create much sharper images, but over a smaller region of the sky [2].

With this new capability, the 8-metre UT4 reaches the theoretical limit of image sharpness and is no longer limited by atmospheric blur. This is extremely difficult to attain in the visible and gives images comparable in sharpness to those from the NASA/ESA Hubble Space Telescope. It will enable astronomers to study in unprecedented detail fascinating objects such as supermassive black holes at the centres of distant galaxies, jets from young stars, globular clusters, supernovae, planets and their satellites in the Solar System and much more.

Adaptive optics is a technique to compensate for the blurring effect of the Earth’s atmosphere, also known as astronomical seeing, which is a big problem faced by all ground-based telescopes. The same turbulence in the atmosphere that causes stars to twinkle to the naked eye results in blurred images of the Universe for large telescopes. Light from stars and galaxies becomes distorted as it passes through our atmosphere, and astronomers must use clever technology to improve image quality artificially.

To achieve this four brilliant lasers are fixed to UT4 that project columns of intense orange light 30 centimetres in diameter into the sky, stimulating sodium atoms high in the atmosphere and creating artificial Laser Guide Stars. Adaptive optics systems use the light from these “stars” to determine the turbulence in the atmosphere and calculate corrections one thousand times per second, commanding the thin, deformable secondary mirror of UT4 to constantly alter its shape, correcting for the distorted light.

MUSE is not the only instrument to benefit from the Adaptive Optics Facility. Another adaptive optics system, GRAAL, is already in use with the infrared camera HAWK-I. This will be followed in a few years by the powerful new instrument ERIS. Together these major developments in adaptive optics are enhancing the already powerful fleet of ESO telescopes, bringing the Universe into focus.

This new mode also constitutes a major step forward for the ESO’s Extremely Large Telescope, which will need Laser Tomography to reach its science goals. These results on UT4 with the AOF will help to bring ELT’s engineers and scientists closer to implementing similar adaptive optics technology on the 39-metre giant.

Notes

[1] MUSE and GALACSI in Wide-Field Mode already provides a correction over a 1.0-arcminute-wide field of view, with pixels 0.2 by 0.2 arcseconds in size. This new Narrow-Field Mode from GALACSI covers a much smaller 7.5-arcsecond field of view, but with much smaller pixels just 0.025 by 0.025 arcseconds to fully exploit the exquisite resolution.

[2] Atmospheric turbulence varies with altitude; some layers cause more degradation to the light beam from stars than others. The complex adaptive optics technique of Laser Tomography aims to correct mainly the turbulence of these atmospheric layers. A set of pre-defined layers are selected for the MUSE/GALACSI Narrow Field Mode at 0 km (ground layer; always an important contributor), 3, 9 and 14 km altitude. The correction algorithm is then optimised for these layers to enable astronomers to reach an image quality almost as good as with a natural guide star and matching the theoretical limit of the telescope.

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ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It has 15 Member States: Austria, Belgium, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile and with Australia as a strategic partner. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope and its world-leading Very Large Telescope Interferometer as well as two survey telescopes, VISTA working in the infrared and the visible-light VLT Survey Telescope. ESO is also a major partner in two facilities on Chajnantor, APEX and ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre Extremely Large Telescope, the ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

Links

• MUSE first light
• First light of MUSE AOF Wide-Field Mode

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