211service.com
Varför astrofysiker behöver en glödlampa i omloppsbana
Rymdbaserade teleskop har förändrat vår syn på universum under de senaste 25 åren och framtiden ser lovande ut. Ett antal nya observatorier och observationstekniker, både på marken och i omloppsbana, lovar att bredda vår förståelse av kosmos ytterligare.
Men det är ett problem. En av de grundläggande processerna vid observation är att kalibrera de inblandade instrumenten. Astronomer kan enkelt testa sina markbaserade teleskop med en anständig glödlampa. Men en sak som de inte kan ta hänsyn till är mängden ljus som absorberas av atmosfären, vilket kan vara betydande.
Det är lätt att föreställa sig att detta problem försvinner med rymdbaserade observatorier. Men även dessa måste kalibreras. Rymdteleskopet Hubble har till exempel volframglödlampor ombord för just detta ändamål.
Men dessa introducerar också olika osäkerheter på grund av saker som små förändringar i uteffekten av en glödlampa när dess temperatur ändras när observatoriet rör sig in och ut ur jordens skugga. Det finns inte heller något sätt att korskontrollera Hubbles mätningar av volframlökarna med observationer från marken.
Dessa osäkerheter sätter nu viktiga gränser för vissa typer av observationer, säger Justin Albert vid University of Victoria i Kanada. Det kanske viktigaste exemplet är de mätningar av universums expansion som astronomer gör genom att titta på ljusstyrkan hos supernovor av typ 1a i avlägsna galaxer. Bättre mätningar kräver bättre kalibrering.
Albert säger att det finns en uppenbar lösning: placera en glödlampa i omloppsbana som teleskop på marken kan använda för att räkna ut exakt hur mycket ljus atmosfären absorberar vid vilken frekvens som helst. Tillägget av konstgjorda kalibrerade ljuskällor i rymden till arsenalen av tekniker för fotometrisk kalibrering kommer att ge ett kraftfullt nytt verktyg för att öka precisionen inom astrofysik, säger han. I dag beskriver han de olika faktorerna som är inblandade i hans tänkande.
Den erforderliga ljuskällan är förvånansvärt liten. Han påpekar att en vanlig 25 Watts glödlampa i en 700 km omloppsbana skulle vara lika ljus som en stjärna på 12,5 magnitud. En avstämbar laser är ett annat alternativ men den måste riktas exakt mot vilket markbaserat teleskop som helst, vilket ökar komplexiteten i designen.
Ingen anständig glödlampa är för närvarande synlig i rymden men det finns en rymdfarkost där uppe med en laser riktad mot jorden. CALIPSO är en fransk-amerikansk satellit designad för att mäta den vertikala profilen av moln och aerosoler. För detta ändamål strålar den en grön laser mot ytan och mäter reflektionen.
Alberts idé är att mätning av denna stråle på marken är ett sätt att bevisa konceptet med teleskopkalibrering från omloppsbana. Och han har verkligen varit upptagen med att jaga satelliten och fotografera ljuset som den producerar med hjälp av en samling av sju kameror utspridda över några hundra meter.
Hans största problem är att CALIPSOS laser inte var designad för det syfte han använder den för. Balken har ett fotavtryck på bara 100 meter eller så över. Och eftersom osäkerheterna i rymdfarkostens omloppsbana är större än så här, är det svårt att sätta kamerorna i skottlinjen.
Lasern avfyrar också med en hastighet av 20 Hz vilket innebär att scintillation i atmosfären blir en faktor (medan en längre puls eller kontinuerlig stråle kan vara tidsgenomsnittet). Ändå har han gjort ett utmärkt jobb med att karakterisera problemen i samband med denna typ av arbete.
Men det belyser svårigheten som observatorier skulle ha med denna teknik. Dessa typer av laserobservationer är endast möjliga när satelliten är direkt ovanför och endast giltig för den punkten på himlen, från den platsen på jorden, vid den tidpunkten.
Det är klart att astronomer kommer att behöva något bättre. En glödlampa som kan ses från vid vinkel är ett bra alternativ.
Det är dock inte reflexer. Albert påpekar att medan flera satelliter har reflektorer för laseravståndssökning, kan dessa inte användas för att exakt mäta ljusabsorptionen i atmosfären. Det beror på att reflektionsförmågan förändras med infallsvinkeln men exakt hur är inte känt. Dessutom ändras reflektionsförmågan hos dessa enheter med tiden när speglarna blir gropiga av mikrometeoroidskador.
För att föra sin forskning vidare har Albert planer på att skicka upp mer avancerade lampor i ballonger så att han bättre kan studera detta problem.
Men i slutändan kommer det enda sättet att verkligen hjälpa framtidens astronomer vara att sätta en glödlampa i omloppsbana. Med tanke på att universums expansionshistoria är ett av de viktigaste problemen inom kosmologi, kanske det är dags att börja fundera hårdare på hur detta kan göras.
Ref: arxiv.org/abs/1101.5214 : Satellitmonterade ljuskällor som fotometriska kalibreringsstandarder för markbaserade teleskop