En banbrytande ny optisk enhet, utvecklat vid NJIT:s Big Bear Solar Observatory (BBSO) för att korrigera bilder av solen förvrängda av flera lager av atmosfärisk turbulens, förser forskarna med de mest exakta detaljerna, realtidsbilder hittills av solaktivitet som förekommer över stora delar av stjärnans yta.

Observatoriets 1,6 meter nya solteleskop kan nu producera samtidiga bilder, till exempel, av massiva explosioner som solflammor och koronala massutkastningar som inträffar ungefär samtidigt över stora strukturer som en 20, 000 mil bred solfläck i solens fotosfär.

"För att förstå solens grundläggande dynamik, såsom ursprunget till solstormar, vi måste samla in data från ett så brett synfält som möjligt, " säger Philip Goode, framstående forskningsprofessor i fysik vid NJIT och ledare för ett internationellt team av forskare finansierat av National Science Foundation (NSF) för att utveckla nästa generations optiska system.

"Under stora bloss, till exempel, magnetiska fältförändringar verkar inträffa på många olika platser med nästan samtidigt " förklarar han. "Endast genom att se det omfattande utbudet av utbrott på en gång kommer vi att kunna mäta storleken exakt, styrka och sekvensering av dessa magnetiska händelser och analysera även krafterna som driver stjärnans magnetfält att vrida sig runt varandra tills de exploderar, spyr ut enorma mängder strålning och partiklar som, när den riktas mot jorden, kan orsaka störande rymdväder."

Multi-conjugate adaptive optics (MCAO)-enheten sitter nedströms öppningen på BBSO-teleskopet, för närvarande världens solteleskop med högsta upplösning. Systemet består av tre speglar som ändrar form för att korrigera vägen för de inkommande ljusvågorna, styrs av en dator kopplad till ultrasnabba kameror som tar mer än 2, 000 bilder per sekund för att mäta aberrationer i vågbanan. Systemet kallas multikonjugat eftersom var och en av de tre speglarna fångar ljus från olika höjder - nära marken och på cirka tre och sex miles hög - och de tre korrigerade bilderna ger tillsammans en distorsionsfri bild som eliminerar effekterna av turbulens upp till cirka sju mil.

MCAO-systemet har tredubblat storleken på det korrigerade synfältet som nu är tillgängligt med den nuvarande tekniken, känd som adaptiv optik, som använder ett enda formskifte, eller deformerbar, spegel för att korrigera bilder. En artikel som visar upp dessa framsteg publicerades idag i tidskriften Astronomi &Astrofysik .

"Vinsten av att använda tre deformerbara speglar istället för en är lätt att se. Bilderna är skarpa på ett mycket större område, säger Dirk Schmidt, en postdoktor vid National Solar Observatory (NSO), en projektforskare för det internationella MCAO-teamet, och första författare till artikeln som beskriver forskningen. "Efter många års utveckling, detta är en viktig milstolpe för den nya, bredfältsgenerering av adaptiv solcellsoptik."

Turbulenta luftflöden i olika lager av jordens atmosfär, från marken upp till jetströmmen, ändra vägen för solens ljus snabbare än det mänskliga ögat kan kompensera, suddiga bilder som tagits med konventionella teleskop precis som heta avgaser skapar en dis på vägbanan. Suddigheten uppstår när luftmassor vid olika temperaturer blandas, förvränga ljusets utbredning och få det att ta en ständigt föränderlig, slumpmässig väg från det avlägsna objektet, anländer till observatören med en randomiserad infallsvinkel. Samma atmosfäriska turbulens orsakar blinkande stjärnor.

MCAO-teamet, som inkluderar forskare från NJIT, NSO och Kiepenheuer Institute for Solar Physics i Tyskland, har arbetat tillsammans i mer än ett decennium på nästa generation av adaptiv optik för att korrigera dessa förvrängningar. Forskarna lyckades vidga synfältet avsevärt efter flera år av alternerande laboratorieexperiment - med en artificiell ljuskälla som fungerade som solen som sänder ut ljusvågor som målmedvetet förvrängs av värmen som kommer från varma plattor - med "on-sky"-tester utförda i realtid i BBSO:s optiska väg.

"Över åren, vi hade konfigurerat om speglarna många gånger, väntar på det där "Wow!" ögonblick, " minns Goode. "Äntligen, slutet av juli förra året, vi såg vad vi länge hade sökt - en kontinuerlig ström av skarpa, bredfältskorrigerad, men i huvudsak identiska bilder. Det var förbluffad tystnad, följt av applåder. Vi upprepade sedan testet flera gånger genom att titta på olika platser på solen för att bevisa att vi hade lyckats. Det sista tricket var att minska fältet för att få en djupare fokuserad korrigering med varje spegel, ungefär som du skulle justera en kamera för att ha när- och fjärrfältet i fokus."

De vetenskapliga vinsterna förväntas vara på flera nivåer. En tydligare, en mer omfattande bild av solaktivitet bör ge ytterligare ledtrådar till forskare som försöker förklara mystisk dynamik, till exempel hur explosioner på solen producerar magnetiska explosioner och strålning och accelererar partiklar till nästan ljusets hastighet inom några sekunder. Ju mer forskare förstår fysiska processer som äger rum mer än 90 miljoner miles bort, desto bättre beslutsfattare kommer att kunna förutsäga och förbereda sig för solstormar med våldsamheten att störa kommunikationssatelliter, slå ut GPS-system, stänga av flygresor och släcka ljus, datorer och telefoner i miljontals hem och företag, konstaterar Andrew Gerrard, chef för NJIT:s Center for Solar-Terrestrial Research, som driver BBSO och flera andra solinstrument runt om i världen och i rymden.

"Att korrigera för flera lager av turbulens i atmosfären är en teknisk tur-de-force, " kommenterar Peter Kurczynski, chef för det astronomiska vetenskapsprogrammet vid NSF som finansierade forskningen. "Denna studie visar teknologi som är avgörande för nästa generations observatorier och den kommer att förbättra vår förståelse av solen. Det är därför NSF stöder adaptiv optikforskning, eftersom ny teknik möjliggör vetenskapliga upptäckter."

MCAO-projektet fungerar också som ett kritiskt test av optiska instrument som kommer att krävas av framtida solteleskop.

"MCAO-resultaten från BBSO utgör dock ett riktigt avbrott, " konstaterar Thomas Rimmele, som är projektledare för det kommande 4-meters Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST) på Hawaii, en biträdande direktör för NSO och en medutredare i MCAO-teamet. Han lägger till, "Systemet tillhandahåller en viktig experimentell plattform för utveckling av bredfältad adaptiv optik för solobservationer, och fungerar som sökvägen för adaptiva optiksystem på DKIST, planeras för normal drift 2020."