Hochauflösende Spektropolarimetrie

Hochaufgelöstes GREGOR-Bild eines Sonnenfleckes: Rämliche Skalen von 0.07 Bogensekunde sind aufgelöst. Dies entspricht der Beugungsgrenze einer Apertur von 1.5 m. Das Sonnen-Teleskop GREGOR erreicht damit seine geplante Leistungfähigkeit. Entscheidend für die Qualität dieser Aufnahme ist die adaptive Optik von GREGOR, die sowohl interne als auch atmosphärische Luftturbulenzen korrigieren kann. Das Bild wurde mit 'KISIP' aus 100 Einzelaufnahmen rekonstruiert.

Das Ziel dieses Forschungsschwerpunktes ist die Entwicklung und Bereitstellung von fortschrittlichen Instrumenten und Methoden der Datenanalyse für hochpräzise Spektropolarimetrie mit einer räumlichen Auflösung, welche der Beugungsgrenze der neuen Generation von Sonnenteleskopen, deren Öffnungen einen Meter überschreiten, entspricht. Zur Erreichung dieses Ziels wird in folgenden Bereichen geforscht und entwickelt:

  • Wellenfrontkorrektur, wobei die Betonung auf Bildstabilisierung, adaptiver Optik, multi-konjugierter Adaptiver Optik und Regelalgorithmen liegt,
  • Hochpräzisions-Spektrographen, einschließlich der Entwicklung von FPI-basierten Spektrographen und Gitterspektrographen, sowie die Entwicklung und Modellierung von hochentwickelten optischen Komponenten und Systemen,
  • Detektoren und Systeme zur Vorverarbeitung von Daten mit hohem Durchsatz,
  • Bildrekonstruktionsmethoden, einschließlich statistischer Bildverarbeitung, Schätzung der Wellenfront und Entfaltung

Hauptaktivität des KIS im Bereich der Wellenfrontkorrektur im Berichtszeitraum ist die Entwicklung des Multi-Konjugierten AO für Gregor, welche im Optik-Labor des Instituts in Freiburg begonnen wurde, und mittlerweile im GREGOR aufgebaut wurde. Das System umfasst drei deformierbare Spiegel, die verschiedene Schichten der atmosphärischen Turbulenz entlang der Sichtlinie kompensieren. Die Steuerungs-Software wurde fast komplett neu geschrieben und in eine neue Benutzeroberfläche, welche auf Qt basiert, integriert.

Parallel dazu fand die Entwicklung der „high order ground layer“ Adaptiven Optik für Gregor statt. Kernstück dieses Systems ist ein deformierbarer Spiegel mit 256 Aktuatoren, welcher eine höhere Präzision der Wellenfrontkontrolle ermöglicht als die first light - AO für Gregor, bei welcher der verformbare Spiegel nur 80 Aktuatoren hat. Es wird erwartet, dass dieses System mindestens 120 Moden der Wellenfrontdeformation korrigiert. Das System wurde am Teleskop Anfang 2012 installiert, und kontinuierlich weiterentwickelt.

Zur Unterstützung des Betriebs der MCAO wurde ein Verfahren entwickelt, um die Höhenverteilung von Turbulenzen in der Erdatmosphäre durch die Beobachtung von angle-of-arrival-Fluktuationen an mehreren Stellen auf dem Sonnenrand zu messen. Die Ergebnisse stimmen gut mit den Ergebnissen von Sternscintillometern überein. Diese Technik wird als ständige Einrichtung am Observatorium entwickelt.

Eine wichtige Entwicklung in der Spektroskopie ist der weltweit erste Laser-Frequenzkamm an einem Sonnenteleskop am Echelle-Spektrographen des VTT. Mithilfe dieses Instruments kann das Sonnenspektrums mit hoher Präzision und hoher absoluter Stabilität der Frequenzskala vermessen werden. Dieses Projekt wird von der Leibniz-Gemeinschaft finanziert und in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching durchgeführt.

Die Eigenschaften von TESOS werden im Detail untersucht, um besser zu verstehen, wie man die genaue Kalibrierung von spektropolarimetrischen Beobachtungen mit Etalon-basierten Spektrographen durchführen muss. Diese Arbeit erfolgt im Hinblick auf die Entwicklung des Visible Tunable Filtergraph für ATST. In diesem Zusammenhang wurde eine zusätzliche CMOS-Kamera in TESOS integriert, welche 10 ms Belichtungen mit einer Rate von 100 Bildern/s ermöglicht. Es ist nun möglich, für jede Belichtung von TESOS eine hochaufgelöste Speckle-Rekonstrution zu berechnen, welche als Entfaltungsschlüssel verwendet werden kann.

Das Kiepenheuer Institute Speckle Imaging Package (KISIP) ist weiterhin weltweit als Standard für Solar Speckle Imaging sehr gefragt; die Wartung des Software-Pakets stellt mittlerweile ein Ressourcenproblem dar. Das Software-Paket steht der Community zur Verfügung (https://forge.leibniz-kis.de/kisip/).