Применение лазеров в астрономии

В настоящее время лазер еще ждет своих "нерешенных проблем" в области астрономии и космонавтики. Хотя и здесь он широко используется для решения повседневных задач, таких как высокоточное измерение расстояний, в качестве инструмента для наведения различного рода телескопов на цели, инструмента определения угловых скоростей для определения скорости вращения планет, и т.п.

Например, вот как с использованием лазера было измерено расстояние до Луны точностью до нескольких сантиметров.

Измерение расстояния до Луны

Во время полётов на Луну пилотируемыми и беспилотными аппаратами, на её поверхность было доставлено несколько специальных уголковых отражателей. Затем, с Земли посылали специально сфокусированный лазерный луч. После этого, с помощью специальных устройств, фиксировали возвращения луча, отраженного от отражателей на поверхности Луны.

Рисунок 4

Теперь зная время, которое лазерный луч затратил на путь до лунной поверхности, и обратно и основываясь на значении скорости света (которое, кстати, специально для этих исследований пришлось отдельно измерять с большой точностью), стало возможным рассчитать расстояние до Луны. Сегодня, благодаря этому, параметры орбиты Луны известны с точностью до нескольких сантиметров.

Лазерные дальномеры

Для измерения расстояний используется лазерный дальномер. Стоит упомянуть, что используется он не только в астрономической науке, но и во многих других областях. Например, в навигации, инженерной геодезии, военном деле, при топографической съёмке. Существуют импульсные и фазовые дальномеры. Импульсный дальномер состоит из импульсного лазера и дальномера. Измеряя время, которое затрачивает луч на путь до отражателя и обратно и зная значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом. Фазовый же дальномер – дальномер, основанный на сравнении фаз отправленного и отраженного сигнала. Фазовые дальномеры обладают более высокой точностью измерения по сравнению с импульсными дальномерами.

Рисунок 4

Рисунок 5

Лазерная система стабилизации изображений у телескопов или Создание искусственных опорных «звезд»

Идущие от космических источников лучи света, проходя сквозь неоднородную атмосферу Земли, испытывают сильные искажения. Например, волновой фронт света, приходящего от далекой звезды (которую можно считать бесконечно удаленной точкой), на внешней границе атмосферы имеет идеально плоскую форму. Но пройдя сквозь турбулентную воздушную оболочку атмосферы Земли и достигнув ее поверхности, плоский волновой фронт теряет свою форму и становится похож на волнующуюся морскую

Рисунок 7

Рисунок 8

поверхность. Это приводит к тому, что изображение звезды превращается из «точки» в непрерывно дрожащую и бурлящую кляксу. При наблюдении невооруженным глазом мы воспринимаем это как быстрое мигание и дрожание звезд. При наблюдении в телескоп вместо «точечной» звезды мы видим дрожащее и переливающееся пятно; изображения близких друг к другу звезд сливаются и становятся неразличимы по отдельности; протяженные объекты — Луна и Солнце, планеты, туманности и галактики — теряют резкость, у них пропадают мелкие детали.

Для решения этой проблемы и исключения влияния атмосферы Земли на конечное изображение используется, так называемый, методов адаптивной оптики. Применение которого в наземных телескопах позволяет существенно повысить качество изображения астрономических объектов путем измерения и компенсации оптических искажений атмосферы. Суть этого метода сводится к тому, что, определив турбулентность атмосферы, можно, используя специальную оптику и механику, компенсировать искажения, вносимые турбулентностью, и сделать изображения четким. Для этого, в сторону наблюдения направляется мощный луч лазера. Излучение лазера рассеивается в верхних слоях атмосферы, создавая видимый с поверхности земли или, как его еще называют, опорный, источник света — искусственную "звезду". Свет от этого источника, прошедший на обратном пути к земле через слои атмосферы, содержит информацию об оптических искажениях, имеющих место в данный момент времени. Измеренные таким образом атмосферные искажения компенсируются специальным корректором, в качестве которого, часто используют, деформируемое зеркало.