Αν πιστεύετε πως οι παραμορφώσεις που παρατηρούμε λόγω της ατμόσφαιρας, όπως η “υγρή” άσφαλτος ή τα μακρινά αντικείμενα που τα βλέπουμε θολά και να τρεμοπαίζουν αποτελούν πρόβλημα, που να δείτε τι τραβάνε οι αστρονόμοι.
Και μόνο το ότι στέλνουν διαστημικά τηλεσκόπια (δηλαδή εκτός ατμόσφαιρας), αρκεί για να καταδείξει το μέγεθος του προβλήματος. Θα μπορούσε να πει κάποιος, βέβαια, πως τέτοιου είδους τηλεσκόπια βολεύουν για πολλούς διαφορετικούς λόγους. Για παράδειγμα όσα βρίσκονται στο Λαγκρανζιανό Σημείο L2 (όπως το James Webb – JST) έχουν συνέχεια νύχτα, κάτι που σημαίνει πως μπορούν να παρατηρούν τα αστέρια όλο το 24ωρο. Το ίδιο ισχύει για τις συσκευές που βρίσκονται στο Λαγκρανζιανό Σημείο L1, όπου είναι διαρκώς ημέρα, οπότε μπορούν να παρατηρούν αδιάλειπτα τον Ήλιο.
Ε, τότε τι το χρειαζόμασταν το Hubble (HST), το οποίο βρίσκεται σε τροχιά γύρω από τη Γη, σε χαμηλή μάλιστα τροχιά με περίοδο περίου 1,5 ωρών, κάτι που σημαίνει πως πολλοί στόχοι είναι κρυμμένοι -για τον μισό περίπου χρόνο παρατήρησης- πίσω από την ίδια την Γη; Η απάντηση είναι η ατμόσφαιρα!
Φταίει η… ατμόσφαιρα
Ανεξάρτητα από τα άλλα οφέλη που μπορούν να υφίστανται, ο κύριος λόγος που χρειαζόμαστε τηλεσκόπια στο διάστημα είναι το να γλυτώσουμε από τα “παιχνίδια” της ατμόσφαιρας. Άλλωστε όσον αφορά καθαρά αποστάσεις: πόσο δηλαδή πιο κοντά σε εμάς φέρνει τα ουράνια σώματα -που απέχουν έως και δισεκατομμύρια έτη φωτός- η διαφορά των 1,5 εκατομμυρίων χιλιομέτρων του JST ή ακόμα περισσότερο η διαφορά των μόλις 500 περίπου Km του HST; Ουσιαστικά καθόλου! Όμως ακόμα και αυτή η ελάχιστη απόσταση του Hubble από τη Γη είναι ευεργετική, γιατί το τοποθετεί εκτός της γήινης ατμόσφαιρας.
Και είναι αρκετά εύκολο να καταλάβουμε τι προβλήματα δημιουργεί η ατμόσφαιρα στην παρατήρηση. Αρκεί να σκεφτούμε πως το τρεμόπαιγμα των αστεριών, που όλοι έχουμε προσέξει, οφείλεται αποκλειστικά και μόνο σε αυτήν. Φανταστείτε, λοιπον, τι είναι ικανή να δημιουργήσει όταν εμείς επιχειρούμε με τα τηλεσκόπια να μεγεθύνουμε, να συγκεντρώσουμε όσο το δυνατό περισσότερο φως από αυτά τα άστρα. Το μαντεύετε; Θολά και κουνημένα! Σαν μία κακής ποιότητας κουνημένη φωτογραφία. Όχι ιδιαίτερα καλό για επιστημονική έρευνα, σωστα;
Διάθλαση
Που οφείλεται αυτό; Κυρίως στο φαινόμενο της διάθλασης, την αλλαγή δηλαδή διεύθυνσης της πορείας του φωτός, όταν αυτό περνάει από ένα μέσο διάδοσης σε ένα άλλο με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Υλικά με διαφορετικό δείκτη διάθλασης, υλικά δηλαδή μέσα στα οποία τα φως κινείται με διαφορετική ταχύτητα.
Το αποτέλεσμα το έχουμε παρατηρήσει, λίγο πολύ, όλοι μας. Το “σπάσιμο” που εμφανίζει ένα καλαμάκι μέσα σε ένα ποτήρι νερό αποτελεί γνώριμη εικόνα. Στην πραγματικότητα δεν αλλάζει γωνία το… καλαμάκι. Όμως το φως που έρχεται σε εμάς από το μέρος του που βρίσκεται εκτός νερού ακολουθεί ευθεία πορεία, ενώ το φως για το βυθισμένο τμήμα φτάνει σε εμάς έχοντας στραφεί, αφού έχει αλλάξει μέσο διάδοσης: αρχικά ταξιδεύει μέσα στο νερό, και μετά το όριο του ποτηριού ταξιδεύει προς εμάς εντός του αέρα.
Είναι γνωστό, επίσης, πως όταν κοιτάζουμε ένα σημείο του βυθού ενώ βρισκόμαστε έξω από το νερό, το σημείο αυτό δεν βρίσκεται στην ευθεία παρατήρησης. Εάν επιχειρήσουμε να το ακουμπήσουμε με ένα ίσιο ραβδί, τότε η διεύθυνση του ραβδιού δεν θα ταυτίζεται με τη νοητή γραμμή που το κοιτάμε. Το ίδιο ισχύει και για έναν παρατηρητή που βρίσκεται μέσα στο νερό και κοιτάζει ένα αντικείμενο έξω από αυτό.
Ο ατμοσφαιρικός αέρας, ανάλογως της πυκνότητάς του εμφανίζει διαφορετικό δείκτη διάθλασης. Και η πυκνότητα ενός ατμοσφαιρικού στρώματος εξαρτάται (και) από την θερμοκρασία του. Το φως που θα περάσει μέσα από δύο τέτοια διαφορετικά στρώματα θα μεταβληθεί. Και μιλάμε για δύο στρώματα όλα κι όλα. Για σκεφτείτε τώρα, πόσα διαφορετικά ατμοσφαιρικά στρώματα υπάρχουν κάθε στιγμή από πάνω μας!
Ούτως ή άλλως, η ατμόσφαιρα δεν εμφανίζει την ίδια πυκνότητα καθ’ ύψος. Και αυτό είναι ακόμα η αρχή. Το έδαφος μέσα στη διάρκεια ενός 24ώρου θερμαίνεται και στη συνέχεια ψύχεται, επηρεάζοντας την ατμόσφαιρα. Αυτή με τη σειρά της δεν διατηρεί κάθε θερμοκρασιακό της στρώμα στην ίδια θέση (λες και αυτό δεν θα ήταν αρκετά κακό από μόνο του), αλλά εμφανίζει ανοδικά και καθοδικά ρεύματα. Φανταστείτε, λοιπόν, πόσα στρώματα με διαφορετικό δείκτη διάθλασης έχει να περάσει το φως των αστεριών για να το δούμε εμείς! Και μάλιστα, όταν αυτά τα στρώματα χορεύουν πάνω κάτω.
Και όχι μόνο αυτό, αλλά έχουμε και διάφορα φαινόμενα μέσα στην ατμόσφαιρα που μταφέρουν θερμότητα και μάζα με διαφορετικές ταχύτητες, άρα έχουμε και τμήματα της ατμόσφαιρας με διαφορετικό δείκτη διάθλασης που τρέχουν γρήγορα, χορεύουν δεξιά-αριστερά, αναμειγνύονται και ο κατάλογος τέλος δεν έχει…
Άρα, δεν μπορούν να κάνουν καλές παρατηρήσεις τα τηλεσκόπια από τη Γη;
Παρόλα αυτά υπάρχουν πάρα πολλά επίγεια τηλεσκόπια. Και σίγουρα θα εξακολουθήσουν να υπάρχουν, καθώς τα διαστημικά τηλεσκόπια -καθότι ακριβά- θα παραμένουν ελάχιστα, ενώ οι ουράνιοι στόχοι για τις επιστημονικές μελέτες είναι πολλοί. Είναι, πράγματι, τόσα πολλά τα αντικείμενα που μελετάμε, και σε τόσα πολλά πεδία, που θα ήταν αδύνατο να στηριχτούμε μόνο στα όργανα που έχουμε στείλει στο διάστημα. Με δεδομένα τα προβλήματα που αναφέραμε πριν, όμως, το ερώτημα είναι αν τελικά μπορεί να γίνει καλή δουλειά με αυτά τα τηλεσκόπια επάνω στη Γη. Μπορούν να προσφέρουν καθαρές παρατηρήσεις και ικανοποιητικές για επιστημονική εργασία λεπτομέρειες ή απλά καθόμαστε και παρατηρούμε θολές εικόνες γιατί δεν μπορούμε αλλιώς;
Υπάρχει λύση! Και αυτή είναι η Προσαρμοστική Οπτική (Adaptive Optics) ή Προσαρμοστικά Οπτικά Συστήματα ή Οπτοδυναμικά Συστήματα.
Τι κάνουν αυτά; Όπως λέει και η λέξη… προσαρμόζουν! Τι; Όσο και αν φαίνεται απίστευτο, προσαρμόζουν το σχήμα του (τεράστιου συνήθως) κύριου κατόπτρου ενός τηλεσκοπίου, στις παραμορφώσεις της ατμόσφαιρας. Κυριολεκτικά μεταβάλλουν το σχήμα του κύριου συλλέκτη φωτός, ο οποίος σε πολλές περιπτώσεις πλησιάζει σε μέγεθος τα 10 μέτρα και που -σημειωτέον- για να μπορεί να εκτελεί αξιόπιστες παρατηρήσεις, οι αποκλίσεις στην επιφάνειά του από το σχήμα της παραβολής πρέπει να είναι μικρότερες από το μήκος φωτός που παρατηρεί.
Μιλάμε δηλαδή για συστήματα που μεταβάλλουν το σχήμα μίας τεράστιας επιφάνειας, με ελάχιστα περιθώρια σφάλματος (πολύ μικρότερα από το πάχος μίας τρίχας), και μάλιστα η μεταβολή αυτή να λαμβάνει χώρα πολλές φορές -έως και χιλιάδες- μέσα σε ένα δευτερόλεπτο.
Τι είναι όμως αυτό που κάνουν; Τι είδους προσαρμογή;
Ας δούμε ένα παράδειγμα το οποίο, αν και δεν αντιστοιχεί ακριβώς στην περίπτωσή μας, μας δίνει μία εικόνα για την προσαρμογή. Αν υποθέσουμε ότι βρισκόμαστε σε μία βάρκα, μία ημέρα με κακό καιρό, τότε εύκολα καταλαβαίνουμε πως μία βιντεοκάμερα που είναι στηριγμένη με τρίποδο επάνω στη βάρκα θα δυσκολευτεί πολύ να καταγράφει σταθερά έναν στόχο, ένα σημείο, ας πούμε έναν λόφο στην απέναντι παραλία. Πράγματι, καθώς η βάρκα ανεβαίνει και κατεβαίνει, ενώ παράλληλα γέρνει και δεξιά-αριστερά, όχι μόνο δεν θα μπορούμε να κοιτάμε σταθερά τον στόχο μέσω της κάμερας, αλλά θα είμαστε τυχεροί αν μπορέσουμε να τον δούμε τυχαία έστω και για μία στιγμή.
Φανταστείτε τώρα ένα σύστημα το οποίο μπορεί να αντιλαμβάνεται κάθε κίνηση της βάρκας και αμέσως να εκτελεί μία αντίθετη κίνηση. Όταν δηλαδή η βάρκα ανεβαίνει, αυτό να κατεβαίνει, και όταν η βάρκα γέρνει προς τα δεξιά, αυτό να στρέφει προς τα αριστερά, και μάλιστα στον ίδιο βαθμό. Οι κινήσεις του συστήματος αυτού, αναιρούν τις κινήσεις της βάρκας. Η συνισταμένη τους κίνηση, ο συνδυασμός και των δύο δηλαδή, είναι μηδενική. Ακινησία! Εάν, λοιπόν, τοποθετούσαμε την κάμερα επάνω σε ένα τέτοιο σύστημα, αυτή θα παρέμενε σταθερή, ανεξάρτητα από το εάν θα υπήρχαν κύματα ή όχι.
Αυτού του είδους την προσαρμογή κάνουν και τα συστήματα στα τηλεσκόπια. Μετρούν τις αλλαγές που έχει υποστεί το φως κατά την διέλευσή του από την ατμόσφαιρα και -σχεδόν ταυτόχρονα- μεταβάλλουν τα οπτικά του τηλεσκοπίου, έτσι ώστε αυτά να δημιουργούν αντίθετες παραμορφώσεις.
Πως αντιλαμβάνονται τις παραμορφώσεις;
Είναι εύκολο να “κλέψεις” λίγο φως από μία οπτική διάταξη. Ένας απλός τρόπος είναι να χρησιμοποιήσεις ημιπερατό κάτοπτρο. Πως είναι τα τζάμια που από την μία μεριά είναι καθρέφτες; Κάτι τέτοιο.
Ένα ημιπερατό κάτοπτρο αφήνει ένα ποσοστό του φωτός να περάσει, ενώ το υπόλοιπο το ανακλά. Φανταστείτε λοιπόν ένα κάτοπτρο που ανακλά ένα πολύ μικρό ποσοστό και αφήνει το υπόλοιπο (σχεδόν όλη την ποσότητα φωτός) να περάσει. Το ελάχιστο ποσοστό είναι αυτό που “κλέβουμε” από το τηλεσκόπιο για να υπολογίσουμε τις παραμορφώσεις. Μέσα από οπτικές διατάξεις και την βοήθεια υπολογιστών, το φως αυτό μας δίνει τα δεδομένα για το πόσο και το πως έχει μεταβληθεί το φως των αντικειμένων που παρατηρούμε, λόγω της διάδρομής του μέσα από την ατμόσφαιρα.
Και με γνωστές τις μεταβολές, το μόνο που έχουμε να κάνουμε είναι να δημιουργήσουμε τις ακριβώς αντίθετες. Να αλλάξουμε το σχήμα του κατόπτρου του τηλεσκοπίου, έτσι ώστε αυτό να δημιουργεί μεταβολές που να είναι συμμετρικές με τις υφιστάμενες. Και ας μιλάμε για κάτοπτρα με τεράστιες επιφάνειες. Και ας πρέπει να είμαστε προσεκτικοί, καθώς ακόμα και η παραμικρή μόνιμη αλλοίωση υποβαθμίζει την αξιοπιστία του κατόπτρου. Γιατί τα κάτοπτρα, πλέον, δεν είναι ενιαία, αλλά αντίθετα αποτελούνται από πολλές κυψέλες καθρεφτών, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.
Χρησιμοποιώντας έμβολα, μπορούμε να αλλάζουμε την σχετική γωνία κάθε επιμέρους κατόπτρου, δημιουργώντας έτσι μία επιφάνεια που θα παραμόρφωνε ένα ανεπηρέαστο κύμα φωτός με ακριβώς αντίθετο τρόπο από αυτόν που το εισερχόμενο φως έχει ήδη παραμορφωθεί από την ατμόσφαιρα. Πολλές φορές (έως και χίλιες) το δευτερόλεπτο, τα έμβολα προσαρμόζουν το σχήμα του κατόπτρου.
Ψεύτικα αστέρια στον ουρανό
Για να μπορέσουν να λειτουργήσουν αποτελεσματικά τα προσαρμοστικά συστήματα, χρειαζόμαστε μία λαμπρή πηγή. Ένα αστέρι αρκετά φωτεινό ώστε να μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε για να μετρήσουμε τις παραμορφώσεις της ατμόσφαιρας. Γιατί -κακά τα ψέματα- τα αμυδρά σήματα δεν μπορούν να βοηθήσουν ιδιαίτερα. Και ένα πεδίο παρατήρησης στον ουρανό, συνήθως περιέχει αχνά αντικείμενα – ασθενείς πηγές.
Κάποιες φορές, οι αστρονόμοι είναι τυχεροί και μέσα στο πεδίο παρατήρησης τυχαίνει να βρίσκεται ένα τέτοιο φωτεινό άστρο. Τότε, το μόνο που έχουν να κάνουν είναι να χρησιμοποιήσουν το φως του για τις διορθώσεις και, έτσι, να μπορέσουν να μελετήσουν τα υπόλοιπα αντικείμενα που βρίσκονται εντός του πεδίου, καθώς και το ίδιο. Τι γίνεται, όμως, όταν τα πάντα στην περιοχή που κοιτάει το τηλεσκόπιό μας είναι αμυδρά;
Κανένα πρόβλημα! Φτιάχνουμε το δικό μας τεχνητό λαμπρό αστέρι
Εάν δεν υπάρχει κάποιο ζωηρό αστέρι, μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα. Το μόνο που χρειάζεται είναι να διαθέτουμε ισχυρά laser. Εσείς και εγώ, μάλλον δύσκολα, τα αστεροσκοπεία όμως δεν αντιμετωπίζουν ιδιαίτερο πρόβλημα.
Η συχνότητα του φωτός των laser δεν είναι η ίδια για όλα και εξαρτάται από το υλικό που χρησιμοποιεί το καθένα από αυτά. Έτσι, με το κατάλληλο υλικό (την κατάλληλη συχνότητα) το φως ενός laser μπορεί να διεγείρει τα άτομα ενός συγκεκριμένου χημικού στοιχείου της ατμόσφαιρας, τα οποία επιστρέφοντας στην αρχική (μη διεγερμένη) κατάσταση, εκπέμπουν φως. Αυτό το φως είναι το τεχνητό μας άστρο.
Υπάρχει και μία αστεία πλευρά των τεχνητών αστεριών. Αρκετές αναφορές μιλάνε για ερασιτέχνες αστρονόμους που, παρατηρώντας τα, πίστεψαν πως έχουν ανακαλύψει ένα νέο ουράνιο αντικείμενο και έσπευσαν να ενημερώσουν…
