Küçük optik bileşen teleskopların güneşi görme biçimini değiştirebilir

Çapı yalnızca 6 milimetre (0,24 inç) olan yeni bir teleskop teknolojisi, gelecekteki uzay görevlerinin güneşi inceleme ve izleme şeklini iyileştirebilir, aynı zamanda yerleşik donanımı basitleştirip maliyetleri azaltabilir.

Kaliforniya San Diego Üniversitesi’ndeki mühendisler tarafından BAE Systems Space & Mission Systems ile işbirliği içinde geliştirilen teknoloji, ışığı geleneksel optik cihazların yapamayacağı şekillerde yönlendirebilen, nano ölçekli yapılarla tasarlanmış bir cihaz olan metasurface olarak bilinen özel bir optik bileşene sahiptir.

Çalışma, yayınlanan bir makalede ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Bilim Gelişmeleri.

Araştırmacılar ilerlemenin pratik bir bilimsel uygulamada kullanılan bir metayüzeyin ilk gösterilerinden birini temsil ettiğini söylüyor.

UC San Diego Jacobs Mühendislik Okulu Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü’nde profesör olan çalışmanın kıdemli yazarı Noah Rubin, “Metayüzeyler üzerine yapılan akademik çalışmaların çoğu, kavram kanıtlama aşamasında kaldı” dedi.

“Bu durumda, yüksek performanslı bir metayüzey bileşeni ürettik ve bunu BAE Systems’deki endüstri ortaklarımız tarafından uzay yeterliliğine kavuşturduk. Bunu, güneş fiziği alanında uzman işbirlikçilerimizle özel olarak inşa ettiğimiz son teknoloji ürünü bir teleskopa entegre ettik, ardından onu gelişmiş bir gözlemevinde test ettik ve güneşten bilimsel açıdan anlamlı veriler toplayabildiğini gösterdik.”

Rubin, “Teknolojimizi uzayda kullanma olasılığı konusunda heyecanlıyız” dedi. “Bence bu, temel akademik araştırmanın uzay araştırmaları ve bilim için gerçek potansiyele sahip bir şeye nasıl dönüşebileceğinin çok güzel bir örneği.”

Güneşin manyetik alanlarını ölçmek için yeni teknoloji

Teknoloji, Rubin’in doktora öğrencisiyken icat ettiği, metayüzey polarizasyon ızgarası adı verilen özel bir tür optik bileşendir. Harvard’da öğrenciydi ve UC San Diego’da gelişmeye devam etti. Polarizasyon olarak bilinen ışığın bir özelliğini, ışık dalgalarının titreştiği spesifik yönü veya düzlemi ölçer.

Astronomide polarizasyonun ölçülmesi önemlidir çünkü güneşin manyetik alanları hakkında bilgi sağlar. Bu manyetik alanların güvenilir ölçümlerine sahip olmak, yüklü parçacık bulutlarını Dünya’ya doğru fırlatabilen büyük patlamalar olan koronal kütle püskürmeleri gibi güneş olaylarına ilişkin bilgiler sağlar. Bunlar uydular, elektronik altyapı, iletişim sistemleri ve elektrik şebekeleri için felaket anlamına gelebilir.

Rubin, “Bu tür olayların gerçekleşip gerçekleşmeyeceğini tahmin edebilmek büyük ilgi görüyor” dedi.

Günümüzün güneş teleskopları, farklı polarizasyon yönlerini analiz eden özel optik bileşenler kullanarak manyetik alanları ölçer; ancak genellikle bunu birer birer yaparlar.

Eksiksiz bir resim oluşturmak için cihazlar, polarizasyon bileşeni pozlamalar arasında dönerken bir dizi görüntü çeker. Süreç, farklı açılardan tutulan polarize güneş gözlükleriyle birkaç fotoğraf çekmeye ve ardından bu görüntüleri birleştirerek tüm bilgiyi ortaya çıkarmaya benziyor.

Ancak bu süreç uzayda zorluklar yaratıyor. Görüntüler birbiri ardına çekildiğinden, uzay aracındaki en küçük titreşimler bile görüntülerin pozlamalar arasında hafifçe kaymasına neden olabilir. Bu küçük hareketler, yakalanması gereken hassas ayrıntıları bulanıklaştırabilir. Bu etkiyi en aza indirgemek için uzay görevlerinde teleskopu stabilize edecek gelişmiş sistemlere ihtiyaç vardır.

Rubin, “Bu sistemler genellikle teleskopun kendisinden çok daha pahalıya mal oluyor” dedi.

Metasurface teknolojisi bu sorunları çözebilir. Tek seferde bir polarizasyon yönünü ölçmek yerine, gelen ışığı aynı anda birkaç farklı polarizasyon kanalına ayırır. Bunu yaparak normalde birden fazla görüntü gerektiren tüm bilgiler yalnızca tek bir anlık görüntüde yakalanabilir. Dönen veya hareketli parça bulunmadığından sonuç daha basit ve daha kompakt bir sistemdir.

Rubin, “Bunun gelecekteki uzay görevleri üzerinde önemli bir etkisi olabilir” dedi.

Rubin’in grubundaki eski bir doktora sonrası araştırmacı (şu anda Quantinuum’da bir optik mühendisi) olan çalışmanın ilk yazarı Lisa Li, “Bu çalışmanın en heyecan verici yönü, polarizasyon görüntülemede tamamen eşzamanlı veri toplama için ileri bir yol sağlamasıdır” diye ekledi.

“Buradaki metasurface özellikli görüntüleme tekniği, tek bir ortak optik yol üzerinden eş zamanlı olarak görüntü yakalamamıza olanak tanıyor ve bu bilgilerin tümü aynı ana ait.

“Bu daha yüksek kare hızlarıyla, önceki cihazların yakalayamayacağı kadar hızlı olan olayları gözlemleyebiliyoruz.”

Laboratuvardan potansiyel uzay uygulamasına

Proje, Rubin ve ekibinin NASA’nın desteğiyle yaklaşık beş yıllık inovasyonunun ürünü. Her şey, kendi zorluklarını da beraberinde getiren yüksek performanslı bir metayüzeyin imalatıyla başladı.

Daha sonra Rubin, meta yüzeyi uzay donanımı için gerekli titreşim ve sıcaklık testlerine tabi tutmak üzere BAE Systems’deki endüstri ortaklarıyla birlikte çalıştı. Bu testler, meta yüzeyin potansiyel olarak fırlatma ve operasyondan sağ çıkabileceğini gösterdi.

Ulusal Atmosfer Araştırmaları Merkezi’ndeki (NCAR) güneş fizikçileriyle işbirliği yapan ekip, meta yüzeyi özel yapım bir teleskopa entegre etti ve New Mexico’daki Dunn Güneş Teleskobu’na yerleştirdi.

Sistemin tamamı şu şekilde çalışıyor: Güneş ışığı ilk önce yerden 136 feet (41 metre) yüksekte bulunan bir kuleden oluşan Dunn Güneş Teleskobu’nun tepesindeki aynaya çarpıyor. Işık daha sonra yeraltında 228 fit (69 metre) yol kat ederek yer seviyesine geri yansıtılıyor ve burada ekibin daha küçük, özel yapım teleskopuna odaklanıyor. Orada, tüm teleskop sisteminin boyutunun sadece küçük bir kısmı olan metayüzeyden geçer.

Sistem, metayüzey ile güneş lekelerinin eşzamanlı polarizasyon görüntülerini yakaladı ve bunların içine gömülü manyetik alanları ölçtü.

Ekip, verilerini NASA’nın Güneş Dinamikleri Gözlemevi’ndeki bir cihazdan elde edilen gözlemlerle karşılaştırdı.

Rubin, “Burada, Dünya’daki enstrümanımızla çok ama çok benzer sonuçlar elde ettik” dedi.

Ekip şimdi bir sonraki adıma doğru çalışıyor: uzay.

Ekip, teleskop gösterisinin başarısını temel alarak, metayüzeyin güneşin manyetik alanlarını ölçmeye yönelik gelecekteki bir uzay misyonuna nasıl dahil edilebileceğini araştıracak bir görev konsepti çalışması için NASA’ya bir teklif sundu.

Ekip seçildiği takdirde teknolojisinin uzaya uygun olup olmadığını titizlikle değerlendirme fırsatına sahip olacak.

Rubin, “Doktora eğitimim sırasında başlayan bir fikrin, kavram kanıtlama aşamasını geçmiş ve artık uzaya fırlatılma potansiyeline sahip bir şeye dönüşmesini izlemek, bu gerçekten ödüllendirici bir deneyim” dedi. “Akademide gelecek vaat eden fikirlere erken bir aşamada yatırım yaptığımızda neler olabileceğini gösteriyor. Akademik araştırmanın önemi burada.”