Coronagrafo

Accesorio telescópico diseñado para bloquear la luz directa de una estrella

Un coronógrafo es un accesorio telescópico diseñado para bloquear la luz directa de una estrella para que los objetos cercanos, que de otro modo estarían ocultos en el resplandor brillante de la estrella, puedan resolverse. La mayoría de los coronógrafos están destinados a ver la corona del Sol , pero se está utilizando una nueva clase de instrumentos conceptualmente similares (llamados coronógrafos estelares para distinguirlos de los coronógrafos solares ) para encontrar planetas extrasolares y discos circunestelares alrededor de estrellas cercanas, así como galaxias anfitrionas en quásares y otros objetos similares con núcleos galácticos activos (AGN ).

Imagen coronagráfica del sol

Invención

El coronógrafo fue introducido en 1931 por el astrónomo francés Bernard Lyot ; desde entonces, los coronógrafos se han utilizado en muchos observatorios solares . Los coronagramas que operan dentro de la atmósfera de la Tierra sufren de luz dispersa en el cielo mismo, debido principalmente a la dispersión de la luz solar de Rayleigh en la atmósfera superior. En ángulos de visión cercanos al Sol, el cielo es mucho más brillante que la corona de fondo incluso en sitios de gran altitud en días claros y secos. Coronógrafos basados en tierra, tales como el Observatorio Altitud de alta 's Mark IV Coronógrafo en la parte superior de Mauna Loa , el uso de polarizaciónpara distinguir el brillo del cielo de la imagen de la corona: tanto la luz coronal como el brillo del cielo son luz solar dispersa y tienen propiedades espectrales similares, pero la luz coronal está dispersada por Thomson casi en ángulo recto y, por lo tanto, sufre una polarización de dispersión , mientras que la luz superpuesta de el cielo cerca del Sol está disperso en un ángulo de mirada y, por lo tanto, permanece casi sin polarización.

Diseño

Coronagraph en el Observatorio Wendelstein

Los instrumentos coronagráficos son ejemplos extremos de rechazo de luz parásita y fotometría precisa porque el brillo total de la corona solar es menos de una millonésima parte del brillo del Sol. El brillo aparente de la superficie es incluso más tenue porque, además de entregar menos luz total, la corona tiene un tamaño aparente mucho mayor que el propio Sol.

Durante un eclipse solar total , la Luna actúa como un disco oclusivo y cualquier cámara en la trayectoria del eclipse puede funcionar como coronógrafo hasta que el eclipse termine. Más común es una disposición en la que se toman imágenes del cielo en un plano focal intermedio que contiene un punto opaco; este plano focal se vuelve a crear una imagen en un detector. Otro arreglo es la imagen del cielo en un espejo con un pequeño agujero: la luz deseada se refleja y finalmente se vuelve a crear una imagen, pero la luz no deseada de la estrella atraviesa el agujero y no llega al detector. De cualquier manera, el diseño del instrumento debe tener en cuenta la dispersión y la difracción.para asegurarse de que la menor cantidad posible de luz no deseada llegue al detector final. El invento clave de Lyot fue una disposición de lentes con paradas, conocidas como paradas de Lyot , y deflectores de tal manera que la luz dispersada por difracción se enfocaba en las paradas y deflectores, donde podía ser absorbida, mientras que la luz necesaria para una imagen útil pasaba por alto. ^[1]

A modo de ejemplo, los instrumentos de imagen del telescopio espacial Hubble ofrecen capacidad coronagráfica.

Coronógrafo de banda limitada

Un coronógrafo de banda limitada utiliza un tipo especial de máscara llamada máscara de banda limitada . ^[2] Esta máscara está diseñada para bloquear la luz y también controlar los efectos de difracción causados ​​por la eliminación de la luz. El coronógrafo de banda limitada ha servido como diseño de referencia para el coronógrafo cancelado Terrestrial Planet Finder . Las máscaras con banda limitada también estarán disponibles en el telescopio espacial James Webb .

Coronógrafo de máscara de fase

Un coronógrafo de máscara de fase (como el coronógrafo de máscara de fase de cuatro cuadrantes) utiliza una máscara transparente para cambiar la fase de la luz estelar con el fin de crear una interferencia autodestructiva, en lugar de un simple disco opaco para bloquear. eso.

Coronógrafo de vórtice óptico

Artículo principal: coronógrafo de vórtice

Un coronógrafo de vórtice óptico utiliza una máscara de fase en la que el cambio de fase varía azimutalmente alrededor del centro. Existen varias variedades de coronógrafos de vórtice óptico:

• el coronógrafo de vórtice óptico escalar basado en una rampa de fase grabada directamente en un material dieléctrico, como la sílice fundida. ^{[3] [4]}
• el coronógrafo de vórtice vectorial (ial) emplea una máscara que gira el ángulo de polarización de los fotones, y aumentar este ángulo de rotación tiene el mismo efecto que aumentar un cambio de fase. Una máscara de este tipo puede sintetizarse mediante diversas tecnologías, que van desde polímero de cristal líquido (misma tecnología que en la televisión 3D ), hasta superficies microestructuradas (utilizando tecnologías de microfabricación de la industria microelectrónica ). Un coronógrafo de vórtice vectorial de este tipo hecho de polímeros de cristal líquido se utiliza actualmente en el telescopio Hale de 200 pulgadas en el Observatorio Palomar . Recientemente ha sido operado con óptica adaptativa a la imagen.planetas extrasolares .

Esto funciona con estrellas distintas al sol porque están tan lejos que su luz es, para este propósito, una onda plana espacialmente coherente. El coronógrafo que usa interferencia enmascara la luz a lo largo del eje central del telescopio, pero permite que pase la luz de los objetos fuera del eje.

Coronógrafos basados ​​en satélites

Los coronagramas en el espacio exterior son mucho más efectivos de lo que serían los mismos instrumentos si estuvieran ubicados en el suelo. Esto se debe a que la ausencia total de dispersión atmosférica elimina la mayor fuente de deslumbramiento presente en un coronógrafo terrestre. Varias misiones espaciales como la NASA - ESA 's SOHO , y austeras de la NASA, Misión máximo solar , y Skylab han utilizado coronógrafos para estudiar los límites exteriores de la corona solar. El telescopio espacial Hubble (HST) puede realizar la coronagrafía utilizando la cámara de infrarrojos cercanos y el espectrómetro de objetos múltiples (NICMOS), ^[5]y hay planes para tener esta capacidad en el Telescopio Espacial James Webb (JWST) utilizando su Cámara de Infrarrojo Cercano ( NIRCam ) y su Instrumento de Infrarrojo Medio (MIRI).

Si bien los coronógrafos espaciales como LASCO evitan el problema del brillo del cielo, enfrentan desafíos de diseño en el manejo de la luz parásita bajo los estrictos requisitos de tamaño y peso de los vuelos espaciales. Cualquier borde afilado (como el borde de un disco oculto o una apertura óptica) provoca la difracción de Fresnelde luz entrante alrededor del borde, lo que significa que los instrumentos más pequeños que uno desearía en un satélite inevitablemente filtran más luz que los más grandes. El coronógrafo LASCO C-3 utiliza un ocultador externo (que proyecta sombra sobre el instrumento) y un ocultador interno (que bloquea la luz parásita difractada por Fresnel alrededor del ocultador externo) para reducir esta fuga, y un complicado sistema de deflectores para eliminar la luz parásita que se dispersa por las superficies internas del propio instrumento.

Planetas extrasolares

El coronógrafo se ha adaptado recientemente a la desafiante tarea de encontrar planetas alrededor de estrellas cercanas. Si bien los coronógrafos estelares y solares son similares en concepto, en la práctica son bastante diferentes porque el objeto que se va a ocultar difiere en un factor de un millón en tamaño aparente lineal. (El sol tiene un tamaño aparente de aproximadamente 1,900 segundos de arco , mientras que una estrella típica cercano podría tener un tamaño aparente de 0,0005 y 0,002 segundos de arco.) Similar a la Tierra exoplaneta detección requiere de 10 ^{- 10} de contraste. ^[6] Para lograr tal contraste se requiere una estabilidad optotérmica extrema .

Se estudió un concepto de coronógrafo estelar para el vuelo en la misión cancelada Terrestrial Planet Finder . En los telescopios terrestres, se puede combinar un coronógrafo estelar con óptica adaptativa para buscar planetas alrededor de estrellas cercanas. ^[7]

En noviembre de 2008, la NASA anunció que se observó directamente un planeta orbitando la estrella cercana Fomalhaut . El planeta se podía ver claramente en las imágenes tomadas por el coronógrafo de la Cámara Avanzada para Encuestas del Hubble en 2004 y 2006. ^[8] El área oscura oculta por la máscara del coronógrafo se puede ver en las imágenes, aunque se ha agregado un punto brillante para mostrar dónde la estrella habría sido.

Imagen directa de exoplanetas alrededor de la estrella HR8799 usando un coronógrafo de vórtice vectorial en una porción de 1,5 m del telescopio Hale

Hasta el año 2010, los telescopios solo podían obtener imágenes de exoplanetas directamente en circunstancias excepcionales. Específicamente, es más fácil obtener imágenes cuando el planeta es especialmente grande (considerablemente más grande que Júpiter ), está muy separado de su estrella madre y está caliente de modo que emite una intensa radiación infrarroja. Sin embargo, en 2010, un equipo del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA demostró que un coronógrafo de vórtice vectorial podría permitir que pequeños telescopios obtengan imágenes directas de planetas. ^[9] Hicieron esto tomando imágenes de los planetas HR 8799 previamente fotografiados usando solo unPorción de 1,5 m del telescopio Hale .

Ver también

• Lista de telescopios solares
• Misión de Nuevos Mundos - Un coronógrafo externo propuesto

Referencias

1. "SPARTAN 201-3: Coronagraphs" . umbra.nascom.nasa.gov . Consultado el 30 de marzo de 2020 .
2. Kuchner y Traub (2002). "Un coronógrafo con una máscara de banda limitada para encontrar planetas terrestres" . El diario astrofísico . 570 (2): 900–908. arXiv : astro-ph / 0203455 . Código Bibliográfico : 2002ApJ ... 570..900K . doi : 10.1086 / 339625 .
3. Foo, Gregory; Palacios, David M .; Swartzlander, Grover A. Jr. (15 de diciembre de 2005). "Coronógrafo de vórtice óptico" (PDF) . Letras de óptica . 30 (24): 3308–3310. doi : 10.1364 / OL.30.003308 . PMID 16389814 .  
4. Coronógrafo de vórtice óptico Archivado el 3 de septiembre de 2006 en la Wayback Machine.
5. "NICMOS" . STScI.edu . Consultado el 30 de marzo de 2020 .
6. Brooks, Thomas; Stahl, HP; Arnold, William R. (23 de septiembre de 2015). Kahan, Mark A; Levine-West, Marie B (eds.). "Estudios de comercio térmico de Advanced Mirror Technology Development (AMTD)" . Modelado óptico y predicciones de rendimiento VII . SPIE. 9577 : 957703. doi : 10.1117 / 12.2188371 . hdl : 2060/20150019495 .
7. "La junta del Observatorio Gemini avanza con el coronógrafo de óptica adaptativa extrema" . www.adaptiveoptics.org . Consultado el 30 de marzo de 2020 .
8. "NASA - Hubble observa directamente un planeta que orbita otra estrella" . www.nasa.gov . Consultado el 30 de marzo de 2020 .
9. Andrea Thompson (14 de abril de 2010). "Un nuevo método podría obtener imágenes de planetas similares a la Tierra" . msnbc.com . Consultado el 30 de marzo de 2020 .

enlaces externos

• Descripción general de las tecnologías para la obtención de imágenes ópticas directas de exoplanetas , Marie Levine, Rémi Soummer, 2009
• "Telescopio de Sun Gazer". Popular Mechanics , febrero de 1952, págs. 140-141. Dibujo recortado del primer tipo Coronagraph utilizado en 1952.
• Coronagramas de vórtice vectorial óptico utilizando polímeros de cristal líquido: teoría, fabricación y demostración de laboratorio Optics Infobase
• El coronógrafo de vórtice vectorial: resultados de laboratorio y primera luz en el observatorio Palomar IopScience
• Máscara de fase de ranura anular Coronagraph IopScience
• Este enlace muestra una imagen HST de un disco de polvo que rodea una estrella brillante con la estrella oculta por el coronógrafo. [1]