Un nouvel appareil optique révolutionnaire, développé au Big Bear Solar Observatory (BBSO) du NJIT pour corriger les images du Soleil déformées par de multiples couches de turbulence atmosphérique, fournit aux scientifiques les informations les plus précises, images en temps réel à ce jour de l'activité solaire se produisant sur de vastes étendues de la surface de l'étoile.

Le nouveau télescope solaire de 1,6 mètre de l'observatoire peut désormais produire des images simultanées, par exemple, d'explosions massives telles que des éruptions solaires et des éjections de masse coronale qui se produisent à peu près au même moment à travers de grandes structures telles qu'un 20, Tache solaire de 1 000 km de large dans la photosphère du Soleil.

"Pour comprendre la dynamique fondamentale du Soleil, comme l'origine des tempêtes solaires, nous devons collecter des données à partir d'un champ de vision aussi large que possible, " dit Philip Goode, éminent professeur de recherche en physique au NJIT et chef d'une équipe internationale de chercheurs financés par la National Science Foundation (NSF) pour développer ce système optique de nouvelle génération.

« Lors de grandes poussées, par exemple, les changements de champ magnétique semblent se produire à de nombreux endroits différents avec une quasi-simultanéité, " explique-t-il. " Ce n'est qu'en voyant l'éventail complet des éruptions d'un seul coup que nous pourrons mesurer avec précision la taille, la force et le séquençage de ces événements magnétiques et également analyser les forces qui propulsent les champs magnétiques de l'étoile à s'enrouler les uns autour des autres jusqu'à ce qu'ils explosent, crachant des quantités massives de rayonnement et de particules qui, lorsqu'il est dirigé vers la terre, peut provoquer des perturbations météorologiques spatiales. »

Le dispositif d'optique adaptative multi-conjuguée (MCAO) se trouve en aval de l'ouverture du télescope BBSO, actuellement le télescope solaire à la plus haute résolution au monde. Le système est composé de trois miroirs qui changent de forme pour corriger le trajet des ondes lumineuses entrantes, guidé par un ordinateur relié à des caméras ultra-rapides qui prennent plus de 2, 000 images par seconde pour mesurer les aberrations dans le trajet de l'onde. Le système est appelé multi-conjugué car chacun des trois miroirs capte la lumière à une altitude différente - près du sol et à environ trois et six milles de haut - et les trois images corrigées produisent ensemble une image sans distorsion qui élimine les effets de la turbulence jusqu'à environ sept milles.

Le système MCAO a triplé la taille du champ de vision corrigé désormais disponible avec la technologie actuelle, connue sous le nom d'optique adaptative, qui utilise un seul changement de forme, ou déformable, miroir pour corriger les images. Un article présentant ces avancées a été publié aujourd'hui dans la revue Astronomie &Astrophysique .

"Le gain d'utiliser trois miroirs déformables au lieu d'un est facilement visible. Les images sont nettes dans une zone beaucoup plus grande, " dit Dirk Schmidt, chercheur post-doctorant à l'Observatoire national solaire (NSO), un scientifique de projet pour l'équipe internationale MCAO, et premier auteur de l'article décrivant la recherche. « Après de nombreuses années de développement, c'est une étape importante pour le nouveau, génération d'optiques solaires adaptatives à grand champ."

Des flux d'air turbulents dans différentes couches de l'atmosphère terrestre, du sol jusqu'au jet stream, changer la trajectoire de la lumière du soleil plus rapidement que l'œil humain ne peut compenser, brouiller les images capturées par les télescopes conventionnels tout comme les gaz d'échappement chauds créent une brume sur la chaussée. Le flou se produit lorsque des masses d'air à différentes températures se mélangent, déformer la propagation de la lumière et lui faire prendre une tournure toujours changeante, chemin aléatoire de l'objet distant, arrivant à l'observateur avec un angle d'incidence aléatoire. Cette même turbulence atmosphérique provoque le scintillement des étoiles.

L'équipe MCAO, qui comprend des chercheurs du NJIT, NSO et le Kiepenheuer Institute for Solar Physics en Allemagne, travaille ensemble depuis plus d'une décennie sur la prochaine génération d'optiques adaptatives pour corriger ces distorsions. Les chercheurs ont réussi à élargir considérablement le champ de vision après plusieurs années d'expérimentation en laboratoire en alternance - avec une source de lumière artificielle fonctionnant comme le Soleil qui émettait des ondes lumineuses volontairement déformées par la chaleur émanant des plaques chauffantes - avec des tests "sur le ciel" effectués en temps réel dans le chemin optique du BBSO.

"Au cours des années, nous avions reconfiguré les miroirs des dizaines de fois, en attendant ce « Wow ! » moment, " Goode se souvient. " Enfin, fin juillet dernier, nous avons vu ce que nous cherchions depuis longtemps - un flot continu de grand champ corrigé, mais des images essentiellement identiques. Il y eut un silence stupéfait, suivi d'applaudissements. Nous avons ensuite répété le test plusieurs fois en regardant divers endroits sur le Soleil pour prouver que nous avions réussi. La dernière astuce consistait à réduire le champ pour obtenir une correction plus approfondie avec chaque miroir, un peu comme vous ajusteriez une caméra pour avoir le champ proche et lointain au point."

Les gains scientifiques devraient être à plusieurs niveaux. Un plus clair, une vision plus complète de l'activité solaire devrait fournir des indices supplémentaires aux chercheurs cherchant à expliquer des dynamiques mystérieuses, tels que les moyens par lesquels les explosions sur le Soleil produisent des explosions magnétiques et des rayonnements et accélèrent les particules à presque la vitesse de la lumière en quelques secondes. Plus les scientifiques comprendront les processus physiques qui se déroulent à plus de 90 millions de kilomètres, les meilleurs décideurs seront en mesure de prévoir et de se préparer aux tempêtes solaires avec la férocité de perturber les satellites de communication, assommer les systèmes GPS, éteindre les voyages aériens et éteindre les lumières, ordinateurs et téléphones dans des millions de foyers et d'entreprises, note Andrew Gerrard, directeur du Centre de recherche solaire-terrestre du NJIT, qui exploite le BBSO et plusieurs autres instruments solaires dans le monde et dans l'espace.

"Corriger les multiples couches de turbulence dans l'atmosphère est un tour de force d'ingénierie, " commente Peter Kurczynski, directeur du programme de sciences astronomiques de la NSF qui a financé la recherche. "Cette étude démontre une technologie qui est cruciale pour les observatoires de prochaine génération et elle améliorera notre compréhension du soleil. C'est pourquoi la NSF soutient la recherche en optique adaptative, parce que les nouvelles technologies permettent des découvertes scientifiques."

Le projet MCAO sert également de test critique des instruments optiques qui seront nécessaires aux futurs télescopes solaires.

"Les résultats MCAO de BBSO constituent une vraie rupture cependant, " note Thomas Rimmele, qui est le directeur de projet pour le prochain télescope solaire de 4 mètres Daniel K. Inouye (DKIST) à Hawaï, un directeur associé du NSO et un co-investigateur de l'équipe MCAO. Il ajoute, "Le système fournit une plate-forme expérimentale essentielle pour le développement d'optique adaptative à grand champ pour les observations solaires, et sert d'éclaireur pour les systèmes d'optique adaptative sur le DKIST, prévu pour un fonctionnement régulier en 2020."