2008.09.05. - Nobel-díjas technológiával a még pontosabb sebességmérésért

Az ún. lézerfésűs technológián alapuló kalibrációs módszerrel jelentősen javulhat a radiális sebességek mérésének pontossága, ami nagy előrelépést jelenthet több asztrofizikai probléma kutatásában.

Az utóbbi évtized kozmológiai észlelései szerint a Világegyetem a korábban gondolttal ellentétben gyorsulva tágul. Ezt támasztják alá a távoli szupernóvákra és a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásra vonatkozó megfigyelésekből származó eredmények, de ezt látszik erősíteni az Univerzum anyagának halmazokba szerveződése is. Ezek az észlelések azonban alapvetően geometriai jellegűek, mégpedig abban az értelemben, hogy a Világegyetem anyageloszlásának és a téridő nagyléptékű szerkezetének feltérképezését célozzák. Az Univerzum tágulási történetének felvázolásához a z kozmológiai eredetű vöröseltolódás lassú változásának mérésére lenne szükség. Egy ilyen jellegű méréssorozat eredményeinek értelmezéséhez ráadásul semmilyen kozmológiai modellre vagy partikuláris gravitációelméletre nem lenne szükség. Sajnos a vöröseltolódás változása nagyon kicsi: a mai, a tágulás gyorsulását egy kozmológiai konstanssal paraméterező modellek szerint ez - függően magának a vöröseltolódásnak a mértékétől - évente mindössze 1 cm/s körüli!

A nagy vöröseltolódású, távoli kvazárok színképében a hidrogén kvazártól származó Lyman-α emissziós vonala a távoli ultraibolya tartományból a látható tartományba tolódik el. A kvazár fénye a kibocsátó forrás és a Föld között rengeteg, különböző távolságú, s így különböző sebességgel távolódó, galaxisok és galaxishalmazok közötti hidrogénfelhőn halad át. Minden ilyen felhő hatása egy-egy, a sebességtől függő mértékben eltolódott abszorpciós vonalként jelentkezik az emissziós vonal rövidhullámú, kék oldalán. Ezen elnyelési vonalak sokasága alkotja az ún. Lyman-α "erdőt" a színképben.
[http://astronomy.swin.edu.au/~mmurphy/freqcomb_demo nyomán]

Az elképzelések szerint az ambiciózus cél elérésére legalkalmasabb a nagy vöröseltolódású, távoli kvazárok színképeiben megfigyelhető ún. Lyman-α "erdők" hosszabb - több évtizedes - időtartamra kiterjedő monitorozása lenne. A részletes számítások és szimulációk azt mutatják, hogy a tervezett 42 méteres európai óriástávcső (E-ELT, European Extremely Large Telescope) a szintén még csak tervezőasztalon létező CODEX (Cosmic Dynamics Experiment) spektrográffal felszerelve körülbelül 20 évet átfogó, összesen mintegy 4000 órányi megfigyeléssel képes lesz kimutatni a keresett változást.

A modellek által jósolt kicsiny változás kimérése a jelenlegi spektrográfokkal biztosan nem lehetséges - még a legpontosabbakkal sem - az alkalmazott hullámhossz-kalibrációs módszerek elégtelensége miatt. Tesztelési fázisban vannak azonban már azok a műszerek, melyek a 2005-ben fizikai Nobel-díjjal is jutalmazott ún. optikai lézerfésűs módszert használják a hullámhossz-kalibráció pontosságának nagyságrendekkel történő javítására, így ezekkel esély mutatkozik az említett nagyon kicsi effektus detektálására.

A lézerfésűs módszer lényege, hogy a hullámhossz-kalibrációhoz a hagyományos, tóriummal töltött lámpák emissziós színképvonalain alapuló eljárás helyett a frekvenciatartományban egymástól egyenlő távolságban lévő nagyon keskeny lézerimpulzusokat használnak. Az egyenközű pulzusokat a vizsgált égitest fényével együtt a spektrográfba vezetve az objektum színképére sok keskeny, fényes, nagyon pontosan ismert hullámhosszú vonal montírozható, ami nagyban megnöveli a kalibráció, s így végső soron a radiális sebességek mérésének pontosságát is. Az ESO (European Southern Observatory) és a Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ, Garching, Németország) együttműködése keretében 2007-ben laboratóriumi körülmények között sikeresen tesztelték egy ilyen műszer prototípusát.

Az ESO és az MPQ együttműködésében épített kísérleti műszer vázlata. A rubidium atomórával vezérelt lézerfésű egymástól 250 MHz távolságra lévő keskeny impulzusokat szolgáltat. A módusazonosítás egy 1583 nm-en működő folyamatos üzemű lézer segítségével történik. Mivel a pulzusok ismétlődésének frekvenciája a spektrográf feloldóképességét meghaladja, ezért egy Fabry-Pérot rezonátorral a pulzusok egy részét kiszűrik. A lézerfésű így átalakított jelei egy optikai szálon keresztül kerülnek egy nyalábegyesítőbe, ahonnan a vizsgált égitest - a teszt esetében a Nap - fényével együtt jutnak a spektrográfba. A hangolható Fabry-Pérot rezonátor segítségével az effektív pulzustávolság 1 és 15 GHz között változtatható.
[Steinmetz és tsai, http://astronomy.swin.edu.au/~mmurphy/freqcomb_demo nyomán nyomán]

A sikeres laboratóriumi tesztek után 2008 márciusában a műszert élesben is kipróbálták, mégpedig a Kanári-szigeteken működő német VVT (Vacuum Tower Telescope) naptávcsőre szerelve. A kutatócsoport egyik tagja, Tilo Steinmetz (MPQ, Menlo Systems GmbH) szerint a műszer már mostani állapotában is pontosabb a hagyományos kalibrációs módszerekkel kapott adatokhoz képest, így a további fejlesztések nagyon ígéretesek.

A háttérben a Nap fotoszférájának abszorpciós színképe (széles sötét vonalak) néhány földi eredetű légköri vonallal (Atm) az 1,5 μm körüli infravörös tartományban, míg az előtérben a lézerfésű 15 GHz pulzustávolságú spektruma (keskeny világos vonalak) látható. A színképek diszperziójának iránya vízszintes, míg a függőleges irány a Nap fotoszférájának térbeli metszete (a spektrográf résének iránya). A felső rész az alul látható spektrum kinyagyított része. Az abszolút frekvenciájával is megjelölt legfényesebb módus a módusazonosításhoz használt folytonos üzemű lézerdióda vonalát is tartalmazza. A felső részen látható a hagyományos kalibrációs eljárás során használt tórium lámpa egyetlen, ebbe a tartományba eső emissziós vonala is. Ennek rögzítéséhez 30 percre volt szükség, míg a lézerfésű spektrumáéhoz mindössze 10 ms-ra.
[Steinmetz és tsai, http://astronomy.swin.edu.au/~mmurphy/freqcomb_demo]

A Nap spektrumával végzett sikeres tesztek után a műszer következő változatát az ESO 3,6 méteres távcsövén üzemelő HARPS spektrográfhoz készítik el, ami jelenleg az egyik legsikeresebb exobolygó kereső/azonosító műszeregyüttes. A jelenlegi módszerekkel és pontossággal leginkább óriásbolygók azonosíthatók, de a lézerfésűs technológiával már detektálhatók lesznek távoli csillagok földméretű kísérői is. A fejlesztés végső célja természetesen a CODEX spektrográf megfelelő kalibrációs technikával történő felvértezése.

Az eredményeket részletező szakcikk a Science magazin 2008. szeptember 5-i számában jelent meg.

Érdemes megemlíteni, hogy a tesztek befejezése után a csillagászati mérések során is a lézerfésüs technológiával fog működni a Fred Lawrence Whipple Observatory (USA, Arizona) 1,5 méteres Tillinghast reflektorán a hagyományos tórium lámpás móddal 2007 óta üzemelő, honfitársunk, Fűrész Gábor által épített TRES (Tillinghast Reflector Echelle Spectrograph) spektrográf hullámhossz-kalibrációja is. A technológia újdonsága miatt valószínűleg a TRES az első, már működő, nagyfelbontású, csillagászati célokat szolgáló spektrográf, ami a lézerfésüs módszert használja a hullámhossz-kalibrációhoz.

Forrás:

• ESO 26/08 - Instrument Release
• Science Magazine, 2008.09.05.