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Laser en telescopios - Optica adaptativa

Bienvenidos a mi post


Introducción

Buenas tardes a toda la comunidad T!


Este es mi primer post, y espero que les guste.


Si bien no me dedico a la astronomía (estudio ingeniería en computación), la misma me ha cautivado.


Admiro la capacidad del ser humano de explorar el cosmos desde las orillas del mismo.
Al ver lo que hay mas allá pienso en lo pequeño y grande que somos.


Espero que con este post dejemos, por unos minutos al menos, de pelearnos por cosas insignificantes como el partidismo político, y nos unamos un poco mas como especie. No esta mal tener diferencias, pero recordemos que mas allá del color político, todos compartimos una historia en común, y nuestra casa, el planeta tierra, es nuestro único hogar.


Si alguno detecta algún error, me avisa y lo corrijo.


Armé este post por el interés general que observe ante una respuesta que di sobre un shout
El shout en cuestión, del usuario Outlookmi es el siguiente:





https://www.taringa.net/Outlookmi/mi/cwCjV



Podemos observar 3 telescopios, de los cuales se emiten unos rayos láser. Una duda general fue, ¿Para que son esos láseres?
Bien, este post va a tratar de los mismos, y como se usan, a grandes rasgos, en las observaciones astronómicas.
Resumen:

Mi idea no es complicar demasiado el tema haciendo un tratamiento matemático, pero tampoco quiero quedarme corto en detalles. Por lo tanto, para ayudar a encaminar un poco el tema, comienzo con un resumen, que no es mas que la respuesta que di en su momento sobre el shout:
"Esos telescopios usan una tecnica llamada optica adaptativa para compenzar las fluctuaciones de la atmosfera. La atmosfera, al ser un fuido, deforma la luz que llega del espacio (como el agua deforma la luz que llega del fondo del rio y se ve turbulento) La tecnica consiste en deformar, en tiempo real, la lente del telescopio para compensar las turbulencias. Pero, para saber como hay que deformar, se necesita de una referencia. Es ahi donde entra en juego el laser que se ve en el gif. Se dispara el laser a la atmosfera para crear una "estrella artificial" cerca de la estrella o cuerpo celeste que se quiere observar. Viendo las deformaciones que sufre esta estrella artificial, se puede estimar como viene deformada la luz de la estrella a observar, y en funcion de eso se realizan las compensaciones necesarias."




Problema: La atmósfera es un fluido:

Para ilustrar un poco el problema ante el que se encuentran los astrónomos, vamos a imaginar un curso de agua (como un rio, o arroyo) ante varias circunstancias.


Imaginemos un rio poco profundo y con agua clara, de forma tal que podamos ver el fondo. En ese fondo hay piedras de varios tamaños.
Si el rio no presenta turbulencias, por ejemplo, el agua está totalmente estática, podremos ver el fondo del mismo con gran detalle.
Ahora bien, a medida que el agua se hace cada vez más turbulenta, cuesta mas ver lo que hay al fondo. Llegará un punto en que las piedras pequeñas sean irreconocibles, y las piedras grandes, si bien sabremos que están ahi, no las podremos ver con gran detalle.


De esto podemos concluir que la calidad de nuestra observacion del fondo del rio depende de dos factores: 
*Turbulencia del fluido 
*Tamaño del objeto a observar.


En astronomía, entonces, nuestra observación dependerá de las fluctuaciones de la atmósfera y del tamaño (o cercanía) del objeto a observar. Lamentablemente, ambos factores no pueden ser controlados por el ser humano.


Sí se podría, por ejemplo, enviar un telescopio al espacio y escapar de todos los efectos negativos de la atmósfera. Sin ir mas lejos, eso es lo que se hiso con el telescopio espacial Hubble. El problema alli radica en los costos y complejidad del sistema.


Estaría bueno poder hacerle frente a las fluctuaciones atmosféricas desde la tierra,¿no?


Buscando el cielo perfecto:
La atmosfera esta en constante movimiento, ya sea por vientos, por corrientes de convección, humedad, etc, y dichas fluctuaciones son inpredecibles.


La luz de aquellos objetos que se encuentran cerca de la tierra (como los planetas Venus o Marte) sufren poco de las aberraciones por la cantidad de luz que nos llega de ellos. Como estan cerca de la Tierra, se lo ven mas como a un "disco" que como un "punto" (como es el caso de las estrellas, que se encuentran muy lejos de nosotros).




(Larga vida al todopoderoso paint)



Como la atmosfera provoca efectos no deseados, naturalmente tratariamos de observar directamente sobre nuestras cabezas. Esto es asi, puesto que la distancia que la luz tendria que recorrer dentro de la atmosfera sería la minima posible. Es por eso que los telescopios apuntan mas "arriba" que al horizonte.


Entonces, hasta ahora, tenemos presente que para mejorar la observacion, necesitamos elejir bien el lugar. Un lugar con cielos claros, tranquilos, lejos de la ciudad, con una atmosfera relativamente predecible.


Nuestros hermanos chilenos tienen honor de poseer el mejor cielo del mundo para observaciones astronomicas. En el desierto de Atacama se ecuentra el Observatorio Austral Europeo (ESO por sus siglas en ingles). Alli, operan multiples telescopios como ser el Telescopio Muy Grande (se llama asi en serio...Very Large Telescope).




Créditos de fotografias: European Southern Ovservatory



Muchos de estos telescopios estan dotados de la tecnologia de optica adaptativa, como se puede observar en el gif al comienzo del post.



Todo muy lindo, pero ¡Quiero que me hables de los rashos laser!:

Muy bien, ya habiendo hecho esta extensa introduccion, vamos a hablar de lo que queriamos hablar.


No quiero dejar a nadie fuera, por lo que mi explicacion va a ser muuuuy simplificadora. A los astrónomos o físicos que esten leyendo ahora, no me peguen.


Supongamos que estamos observando a un planeta, y la imagen que nos llega del mismo viene con una simple deformacion, en el centro, una parte llega un poquito mas "tarde" que el resto. Algo mas o menos así:








Si esa imagen llega de esa forma al sensor del telescopio, no se verá correctamente. Ese pequeño retardo se superpondrá con las imágenes que llegan detrás.


Ahora bien, si de alguna forma pudiesemos saber cómo está perturbada la imagen, podriamos colocar un espejo deformable en el medio que se deforme "opuesto" a la aberración para que compense esa perturbación. Quedando algo mas o menos asi:






De esta forma, compensamos el error, y obtubimos una imagen limpia. ¡Genial!


Para que se note la diferencia, en esta imagen podemos ver dos fotos. Primero sin usar optica adaptativa, y luego, usandola






Muy probablemente se esten preguntando "Todo muy lindo, pero, ¿como hacemos para saber que tipo de perturbación tiene la imagen?".


Por supuesto, la imagen puede venir con aberraciones al centro, costados, etc.
Es alli donde entra en juego nuestro querido láser.


Con un láser lo suficientemente potente, se puede generar una "estrella artificial" que nos sirva de referencia. Sabemos como se debe ver dicha "estrella". Es un circulito prácticamente perfecto. Si a dicha referencia la ponemos bien cerca del objeto a observar, podemos tomar la imagen del objeto observado, la imagen de la referencia, comparar esa referencia con lo esperado, y de alli saber cómo se deformo la imagen. En función de ellos, deformamos al lente del telescopio y obtenemos una imagen mas detallada.




Creditos de imagen: Lawrence Livermore National Laboratory and NSF Center for Adaptive Optics



Como pueden ver, conceptualmente, no es muy dificil. Pero sí es un reto llevarlo a la práctica. 


Uno de los retos mas grande, es que el sistema tiene que responder MUY rápidamente. No nos podemos demorar mucho en el proceso de captar el tipo de deformacion, y accionar sobre el lente, por que apenas llegó una imagen del objeto observado, ahi no más está "llegando la siguiente".


Es por eso que los cómputos del sistema se suelen hacer sobre unas placas FPGA. Las mismas reaccionan muy rápido al programarlas a nivel hardware directamente. Para que se hagan una idea, un sistema con múltiples GPU trabajando en paralelo, es un sistema muy lento para estos fines.


Una tecnología de espejo deformable consiste en una fina capa reflectora montada sobre un conjunto de actuadores que se mueven hacia arriba o abajo. Cada vez que un actuador se mueve, deforma una pequeña parte del espejo.






Actuadores posicionados antes de colocar el espejo





Capa colocada sobre los actuadores





Inspeccionando el montaje



Espejo montado



Tambien suelen encontrarse pequeños espejos deformables que constan de una membrana especial que se deforma ante impulsos electricos







En estos gifs podemos ver un poco más del efecto de usar o no esta técnica







Para el que le interese un poco mas la matemática de fondo, pueden comnezar averiguando sobre los polinomios de Zernike. Sus términos se van relacionando con los ditintos tipos de aberraciones que pueden haber en un frente de ondas.


No quisiera extenderme mucho mas, asi que termino el post acá. Espero les haya gustado y me haya podido explicar bien.


Aquellos que quieran investigar un poco mas, en las fuentes dejaré enlaces a documentos y páginas de difernte indole para chusmear. Algunos estan en inglés.




Palabrias finales:
En nuestra vida cotidiana a veces no sabemos apreciar las maravillas de la naturaleza que tenemos al frente nuestro. ¿Quieren contemplar a la creación, ver lo inimaginable, aquello tan grande, que para describirlo necesitamos numeros que nunca en nuestra vida cotidiana usariamos?. Giren un poco el cogote y miren al cielo. Ahi esta.


Veamos al mundo mas como un niño. Seamos curiosos, exploremos, divertamonos. Sepamos apreciar aquello a lo que dia a dia ignoramos.


No hace falta planificar unas vacaciones complicadas en el otro extremo del mundo para sentir un poco de goce. Un mate, binoculares, sabana y una noche tranquila y tienen material de sobra para hacer turismo sobre el cosmos.


Para cerrar, les dejo esta belleza. Tomese 10 minutos reloj, ponganse los auriculares, sientense comodo y vea este video en pantalla completa.


Saludos, y que tengan un muy buen dia.





link: https://www.youtube.com/watch?v=xJlqe0dYFlg
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