2025-04 Ken je klassiekers: Laser Guide Star
Een krachtige laserstraal gericht naar de ruimte…
Is dit een communicatielijn met aliens of moet er weer een troebele telescooplens worden gecorrigeerd ? Neen, het is een techniek die werd ontwikkeld om verre hemelobjecten nog scherper en meer in detail in beeld te brengen.
Beeld
Copyright afbeelding: Gerd Hüdepohl @ European Southern Observatory
Storende atmosfeer
Onze planeet wordt omhuld door een beschermende dampkring die bestaat uit meerdere lagen en zich enkele honderden kilometers boven het aardoppervlak uitstrekt. Deze atmosfeer is uiterst belangrijk voor alle leven op Aarde en elke laag heeft een specifieke functie. De ene laag is bepalend voor het weer en klimaat op onze planeet, een andere beschermt ons tegen gevaarlijke ultraviolet- of gammastraling. Weer een andere laag bestaat uit schadelijke stikstofgassen, maar tegelijk uit zuurstof dat voor ons van levensbelang is. Al deze lagen bevinden zich op verschillende hoogten, zijn anders samengesteld en hebben daardoor een verschillende dichtheid en temperatuur. Deze verschillen veroorzaken trillingen of atmosferische turbulentie, die een invloed hebben op de waarnemingen vanop Aarde. Het licht van een ster moet door deze verschillende lagen en wordt verstrooid, zo zien wij sterren schitteren. Een mooi voorbeeld is de ster Sirius die laag aan de winterse sterrenhemel schittert omdat haar licht door meer atmosferische lagen moet dringen.
Astronomen willen echter een zo scherp mogelijk beeld krijgen van hemelobjecten. Een oplossing is waarnemen met ruimtetelescopen die zich ver boven de atmosfeer bevinden, maar dit wordt algauw te duur of de grootte van de ruimtetelescoop is beperkt wegens praktische redenen. In tegenstelling hiermee kunnen aardse telescopen een grote omvang hebben en gebruik maken van een of meerdere spiegels met steeds grotere diameters.
Een andere manier om een zo zuiver mogelijke observatie te kunnen uitvoeren is de telescopen op grote hoogte bouwen waar minder atmosferische trillingen voorkomen. Iedereen kent wel de enorme telescopen van de ESO (European Southern Observatory) in Chili, of de telescopen in Hawaïi of Tenerife, alsook op nog veel andere plaatsen in de wereld, ver boven alle storende turbulentie.
Nood aan een richtster
Grote spiegels vangen veel licht, maar ook veel trillingen, waardoor het verkregen beeld wazig is en achteraf moet worden bewerkt om er een mooi beeld van te maken.
Als men binnen een bepaald ruimtegebied wil waarnemen, maakt men vaak gebruik van een nabijgelegen heldere ster waarvan men weet hoe ze vervormd wordt door de turbulentie, zodat men die verstoringen kan corrigeren in het waargenomen beeld van omliggende sterren. Maar soms is er geen natuurlijke heldere referentiester in de buurt, dan kan een kunstmatige ster een oplossing bieden.
Deze referentiester wordt gegenereerd door een sterke laserstraal richting ruimte te sturen, meer bepaald in de mesosfeer, de atmosferische laag die zich op ongeveer 90 km hoogte bevindt. De in deze laag aanwezige natriumdeeltjes worden door de laserstraal belicht en beginnen te stralen. Dit licht wordt dan terug door de telescoop opgevangen. Een computer ontleedt de atmosferische storingen en stuurt een correctie door naar de spiegel die flexibel en aanpasbaar is en de storing zal annuleren door een tegengestelde vervorming aan te nemen. Deze manier van straling noemt men het Sodium (natrium) Beam system. Een andere manier is de Rayleigh Beacon, een goedkopere maar minder efficiënte manier, waarbij de laser naar een lagere atmosferische laag (10 km) wordt gericht.
Adaptieve optiek
De techniek van de Laser Guide Star gaat gepaard met het gebruik van Adaptive Optics, dit zijn wendbare en aanpasbare spiegelsegmenten die de atmosferische storingen compenseren door een tegengestelde beweging te maken. Hoe elk spiegelsegment moet reageren wordt met behulp van krachtige computers berekend. In enkele milliseconden worden honderden berekeningen uitgevoerd en correcties doorgestuurd naar alle spiegelsegmenten.
In tegenstelling tot de de grote spiegels die uit één geheel bestaan, zijn de gesegmenteerde spiegels gemaakt van meerdere aaneengesloten spiegelelementen, die elk apart aangepast kunnen worden, vandaar de naam 'Adaptive optics'. Achteraan elk element bevinden zich namelijk magnetische activators die verbonden zijn met de computers die de correcties doorsturen in fracties van seconden. De spiegel maakt dan een beweging die tegengesteld is aan de waargenomen atmosferische verstoring en heft zo de storing op.
De Europese zuidelijke sterrenwacht ESO is koploper in de ontwikkeling van dit lasergestuurd optisch systeem. De techniek wordt al tientallen jaren getest en verbeterd, in samenwerking met andere grote observatoria, zoals o.a. het Keck-observatorium in Hawaii, de William Herschel Telescope op La Palma en de Very Large Telescope in Chili. Het prototype van de lasertechniek die in de VLT wordt gebruikt werd reeds in 2011 getest in een Duits observatorium.
Het systeem werd steeds performanter en uiteindelijk is men van de experimentele naar de operationele fase overgestapt.
Copyright afbeelding: ESO
Toepassingen
Het voornoemde prototype werd in 2012 in gebruik genomen bij de Very Large Telescope, gelegen op de Chileense berg Paranal. Naast de VLT beheert de ESO nog andere grote telescopen, maar de VLT overtreft deze in grootte. Hij bestaat uit vier afzonderlijke units die apart of als één grote telescoop kunnen fungeren. In de vierde unit werd de Laser Guide Star Adaptive Optics Facility geïnstalleerd.
In een latere fase werden niet één, maar vier laserstralen uitgezonden vanuit diverse richtingen en naar één punt gericht, om nog meer en betere correcties te kunnen uitvoeren.
Na jaren voorbereiding, wordt sinds 2014 gebouwd aan een nog krachtiger telescoop, de Extremely Large Telescope, op de Cerro Armazones, enkele tientallen kilometers van Paranal verwijderd. Deze zou in 2029 klaar moeten zijn en zal uitgerust zijn met een spiegel van 39 meter en een lasersysteem vanwaaruit zes laserstralen worden afgevuurd. Dit moet nog scherpere en meer gedetailleerde beeldvorming mogelijk maken. De resultaten zouden de beelden van de Hubble Space Telescope en zelfs die van de James Webb Space Telescope ver moeten overtreffen. Men hoopt scherpe beelden te kunnen maken van exoplaneten, van het centrale zwarte gat in ons Melkwegstelsel en wie weet, nog andere geheimen van het universum te ontdekken.
Recent bezocht ons koningspaar de in aanbouw zijnde telescoop om zich ervan te vergewissen dat de werken wel volgens plan verlopen!
Veiligheid
Bij waarnemingen wordt al eens gebruik gemaakt van een laserpointer, maar waarnemers houden er rekening mee dat dit gevaarlijk kan zijn voor het luchtverkeer. Ook het Laser Guide systeem, dat een veel krachtiger 'pointer' gebruikt, is uitgerust met sensoren waardoor de laser automatisch wordt uitgeschakeld mocht een vliegtuig zich te dichtbij bevinden.
Als de waarneming voorbij is wordt de laser uitgeschakeld en verdwijnt de richtster van de sterrenhemel. De natriumdeeltjes nemen dan ook opnieuw hun normale vorm aan en lichten niet meer op.
Lasertechnologie kent vele toepassingen, denk maar aan de chirurgie, filmindustrie, informatica, defensie… en zeker ook de astronomie. We kijken steeds verder het universum in, maar hopelijk blijft er nog lang veel te ontdekken!
Meer info
Background Information: Laser Guide Stars | Gemini Observatory
King Philippe and Queen Mathilde of the Belgians visit ESO’s Paranal Observatory | ESO
Tekst: Martine De Wit, september 2025