Interferometrie - Kiepenheuer
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Interferometrie mit mehreren Teleskopen Astronomie mit höchster Winkelauflösung Oskar von der Lühe Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik Freiburg Interferometrie mit mehreren Teleskopen 2 Inhalt • • • Grundlagen der Interferometrie • Fundamentals of interferometry Praktische Konzepte •Beispiele Concepts of interferometry (contd.) • Practical interferometry Interferometrie mit mehreren Teleskopen 3 Was ist Interferometrie? • Überlagerung von elektromagnetischen Wellen – bei „optischen“ Wellenlängen – Infrarot: = 20 µm ... 1µm – sichtbar: = 1 µm ... 0.38 µm • die von einer Quelle ausgehen und • verschiedene Wege durchlaufen • um ihre räumlich-zeitlichen Kohärenzeigenschaften zu messen • Ziel – Überwindung der beugungsbegrenzten Winkelauflösung eines Teleskops durch kohärente Vereinigung mehrerer getrennter Teleskope Interferometrie mit mehreren Teleskopen 4 Beugungsbegrenzte Abbildung D Brennweite F Teleskopöffnung Interferometrie mit mehreren Teleskopen X 2.44 F D 5 Young‘sches Interferenzexperiment X 2.44 x F D Durchmesser D Screen F B Basis B Source Mask Wellenlänge Brennweite F Interferometrie mit mehreren Teleskopen 6 Zwei-Element Interferometer I Änderung der Basislänge Interferometrie mit mehreren Teleskopen 7 Zwei-Element Interferometer II Änderung ElementDurchmesser Interferometrie mit mehreren Teleskopen 8 Zwei-Element Interferometer III Änderung der Wellenlänge Interferometrie mit mehreren Teleskopen 9 Position der Quelle Screen Source Mask Interferometrie mit mehreren Teleskopen 10 Zwei-Element Interferometer IV Änderung der Quellenposition Interferometrie mit mehreren Teleskopen 11 Interne Verzögerung Screen delay Source Mask Interferometrie mit mehreren Teleskopen 12 Zwei-Element Interferometer V Änderung der internen Verzögerung Interferometrie mit mehreren Teleskopen 13 Zwei-Element Interferometer VI Breitbandiges Spektrum einer Punktquelle Interferometrie mit mehreren Teleskopen 14 Zwei-Element Interferometer VII Breitbandiges Spektrum und interne Verzögerung Interferometrie mit mehreren Teleskopen 15 Ausgedehnte Quellen Screen Source Mask Interferometrie mit mehreren Teleskopen 16 Zwei-Element Interferometer VII Ausgedehnte Quelle Doppelstern Interferometrie mit mehreren Teleskopen 17 Zwei-Element Interferometer VII Ausgedehnte Quelle Sternscheibe Interferometrie mit mehreren Teleskopen 18 Ausgedehnte Quellen - Eindeutigkeit Interferometrie mit mehreren Teleskopen 19 Beispiel: „Pupil Masking“ am ESO/NTT Programmstern Interferometrie mit mehreren Teleskopen Referenzstern 20 Beispiel: „Pupil Masking“ am ESO/NTT Interferometrie mit mehreren Teleskopen 21 van Cittert - Zernike Theorem Source intensity Observed Intensity Response to a point source in direction of B x I x Re I exp 2j d z Bx B Reexp 2j I exp 2j d z Instrumental cosine term Interferometrie mit mehreren Teleskopen 2D Fourier transform of source intensity at angular frequency B/ (visibility function) 22 Bestandteile eines Interferometers Interferometrie mit mehreren Teleskopen 23 Welche Basislänge braucht man für welche Winkelauflösung? Source of radiation Stars (Teff = 5 103 K) Wavelength Gas, dust (T = 100 K) Interstellar hydrogen Telescope type Diameter / Baseline [m] = 0.5 µm = 10 µm = 21 cm Optical standard telescope 1 10 Optical Interferometer 100 RadioInterferometer 104 10-5 rad 2 arcsec 10-5 rad 2 arcsec 10-5 rad 2 arcsec - - Optical large telescope 5 10-7 rad 0.1 arcsec 5 10-8 rad 0.01 arcsec 5 10-9 rad 0.001 arcsec - Radio VLBI 107 - - Interferometrie mit mehreren Teleskopen 0.021 rad 72 arcmin 2.1 10-3 rad 7.2 arcmin 2.1 10-5 rad 4.3 arcsec 2.1 10-8 rad 4.3 mas 24 Projizierte Basislänge to source geometric delay wik telescope i projected baseline Bik‘ baseline Bik telescope k delay line k delay line i 1/2 ik beamsplitter and detectors Interferometrie mit mehreren Teleskopen 25 Array-Konfiguration und Erdrotations-Synthese ESO VLT Interferometer Cerro Paranal, Chile Interferometrie mit mehreren Teleskopen 26 Array-Konfiguration und Erdrotations-Synthese VLTI - 4 Unit telescopes, Quelle bei = -30° Interferometrie mit mehreren Teleskopen VLTI - 4 Unit telescopes plus 4 Auxiliary telescopes 27 Array-Konfiguration und Erdrotations-Synthese Abhängigkeit des VLTI „Wurstmusters“ von der Deklination (+10°, -10°, -30°, -50°, -70°) Interferometrie mit mehreren Teleskopen 28 Messbare Größen und Observablen Die gemessene Größe ist der „korrelierte Fluss“ bei der Wellenlänge und der Winkelfrequenz uik Bik Iˆ uik Fourier-Komponente der Quellenintensität: Komplexe Kontrastfunktion: I exp 2 j u d ik FOV Vik Iˆ uik ˆI 0 I exp 2 j u d ik FOV I d FOV Interferometrie mit mehreren Teleskopen 29 Meilensteine in der optischen Interferometrie Year Scientist 1868 1870 1890 1921 H. Fizeau E. Stephan A. Michelson A. Michelson, F. Pease 1935 1956 1970 1973-1975 1974 1985 1988-1993 1990 1995 2001 2001 F. Pease R. H. Brown, R. Twiss A. Labeyrie A. Labeyrie M. Johnson et al. A. Labeyrie M. Shao et al. J. Baldwin et al. J. Baldwin et al. M. Shao et al. A. Glindemann et al. Remarks Proposal to use masks to increase telescope resolution Marseille 80cm reflector with strip mask Diameters of Jovian satellites (Lick) Diameter measurement of Ori with 20 ft. interferometer on Mt. Wilson Hooker telescope Mt. Wilson 50 ft. interferometer (unsuccessful) Intensity Interferometer Stellar Speckle Interferometry Interferometry w. independent telescopes (24cm) Heterodyne interferometry at 10 µm Interferometry w. independent telescopes (150cm) Production-line interferometry Phase-closure imaging of Ori surface Multiple telescopes imaging of Capella "First fringes" with Keck Imaging Interferometer Array "First fringes" with VLT Interferometer siderostats Interferometrie mit mehreren Teleskopen 30 Heutige Interferometer Program (Nation) GI2T (F) ISI (USA)1 COAST (GB) SUSI (AUS) IOTA (USA) NPOI (USA) PTI (USA) MIRA-II (JN) CHARA (USA) VLTI (EUR) KIIA (USA) MRO (USA) LBT (USA/I/D)5 No. of. Baselines Max Baseline [m] Element Diameter [m] Year of Operation 3 1 6 1 3 3 (6, 15)2 1 1 10 6 / 3 / 63 1 / 6 / 153 6 1 65 35 100 640 45 250 110 4 350 128 / 2004 75 / 1804 400 20 1.52 1.65 0.40 0.14 0.45 0.35 0.45 0.20 1.00 8 / 1.8 10 / 1.5 2.5 8 1985 - 2006 1988 1992 1992 1993 - 2006 1995 1996 1999 2000 2001 2001 2010 2005 Interferometrie mit mehreren Teleskopen 31 Keck Interferometer Array, USA Interferometrie mit mehreren Teleskopen 32 image courtesy Bertrand Koehler Interferometrie mit mehreren Teleskopen 33 images courtesy Keck Observatory Interferometrie mit mehreren Teleskopen 34 VLT Interferometer, EUR Interferometrie mit mehreren Teleskopen 35 VLTI Delay Lines Interferometrie mit mehreren Teleskopen 36 VINCI - VLTI Commissioning Instrument Interferometrie mit mehreren Teleskopen 37 VLTI - Mid-Infrared Instrument (MIDI) Interferometrie mit mehreren Teleskopen 38 AMBER Interferometrie mit mehreren Teleskopen 39 Interferometrie mit mehreren Teleskopen 40 Sterndurchmesser Interferometrie mit mehreren Teleskopen 41 Interferometrie mit mehreren Teleskopen 42 Zirkumstellare Scheiben Interferometrie mit mehreren Teleskopen 43 Interferometrie mit mehreren Teleskopen 44 Stellare Oberflächen Drei Karten von Ori (Betelgeuse), Nov. 1997 700 nm (WHT) 905 nm (COAST) 1290 nm (COAST) pictures courtesy COAST Interferometrie mit mehreren Teleskopen 45 Mehrfach-Sterne Capella im Abstand von 15 Tagen Interferometrie mit mehreren Teleskopen 46 Stellare Hüllen Interferometrie mit mehreren Teleskopen 47 Interferometrie mit mehreren Teleskopen 48
