2008.09.05. - No­bel-dí­jas tech­no­ló­gi­á­val a még pon­to­sabb se­bes­ség­mé­ré­sért

Az ún. lé­zer­fé­sűs tech­no­ló­gi­án ala­pu­ló ka­lib­rá­ci­ós mód­szer­rel je­len­tő­sen ja­vul­hat a ra­di­á­lis se­bes­sé­gek mé­ré­sé­nek pon­tos­sá­ga, ami nagy elő­re­lé­pést je­lent­het több aszt­ro­fi­zi­kai prob­lé­ma ku­ta­tá­sá­ban.

Az utób­bi év­ti­zed koz­mo­ló­gi­ai ész­le­lé­sei sze­rint a Vi­lág­egye­tem a ko­ráb­ban gon­dolt­tal el­len­tét­ben gyor­sul­va tá­gul. Ezt tá­maszt­ják alá a tá­vo­li szu­per­nó­vák­ra és a koz­mi­kus mik­ro­hul­lá­mú hát­tér­su­gár­zás­ra vo­nat­ko­zó meg­fi­gye­lé­sek­ből szár­ma­zó ered­mé­nyek, de ezt lát­szik erő­sí­te­ni az Uni­ver­zum anya­gá­nak hal­ma­zok­ba szer­ve­ző­dé­se is. Ezek az ész­le­lé­sek azon­ban alap­ve­tő­en geo­met­ri­ai jel­le­gű­ek, még­pe­dig ab­ban az ér­te­lem­ben, hogy a Vi­lág­egye­tem anyag­el­osz­lá­sá­nak és a tér­idő nagy­lép­té­kű szer­ke­ze­té­nek fel­tér­ké­pe­zé­sét cé­loz­zák. Az Uni­ver­zum tá­gu­lá­si tör­té­ne­té­nek fel­vá­zo­lá­sá­hoz a z koz­mo­ló­gi­ai ere­de­tű vö­rös­el­to­ló­dás las­sú vál­to­zá­sá­nak mé­ré­sé­re len­ne szük­ség. Egy ilyen jel­le­gű mé­rés­so­ro­zat ered­mé­nye­i­nek ér­tel­me­zé­sé­hez rá­adá­sul sem­mi­lyen koz­mo­ló­gi­ai mo­dell­re vagy par­ti­ku­lá­ris gra­vi­tá­ció­el­mé­let­re nem len­ne szük­ség. Saj­nos a vö­rös­el­to­ló­dás vál­to­zá­sa na­gyon ki­csi: a mai, a tá­gu­lás gyor­su­lá­sát egy koz­mo­ló­gi­ai kons­tans­sal pa­ra­mé­te­re­ző mo­del­lek sze­rint ez - füg­gő­en ma­gá­nak a vö­rös­el­to­ló­dás­nak a mér­té­ké­től - éven­te mind­össze 1 cm/s kö­rü­li!

A nagy vö­rös­el­to­ló­dá­sú, tá­vo­li kva­zá­rok szín­ké­pé­ben a hid­ro­gén kva­zár­tól szár­ma­zó Ly­man-α emisszi­ós vo­na­la a tá­vo­li ult­ra­ibo­lya tar­to­mány­ból a lát­ha­tó tar­to­mány­ba to­ló­dik el. A kva­zár fé­nye a ki­bo­csá­tó for­rás és a Föld kö­zött ren­ge­teg, kü­lön­bö­ző tá­vol­sá­gú, s így kü­lön­bö­ző se­bes­ség­gel tá­vo­ló­dó, ga­la­xi­sok és ga­la­xis­hal­ma­zok kö­zöt­ti hid­ro­gén­fel­hőn ha­lad át. Min­den ilyen fel­hő ha­tá­sa egy-egy, a se­bes­ség­től füg­gő mér­ték­ben el­to­ló­dott ab­szorp­ci­ós vo­nal­ként je­lent­ke­zik az emisszi­ós vo­nal rö­vid­hul­lá­mú, kék ol­da­lán. Ezen el­nye­lé­si vo­na­lak so­ka­sá­ga al­kot­ja az ún. Ly­man-α "er­dőt" a szín­kép­ben.
[http://​ast​rono​my.​swin.​edu.​au/~mmurphy/freq­comb_­de­mo nyo­mán]

Az el­kép­ze­lé­sek sze­rint az am­bi­ci­ó­zus cél el­éré­sé­re leg­al­kal­ma­sabb a nagy vö­rös­el­to­ló­dá­sú, tá­vo­li kva­zá­rok szín­ké­pe­i­ben meg­fi­gyel­he­tő ún. Ly­man-α "er­dők" hosszabb - több év­ti­ze­des - idő­tar­tam­ra ki­ter­je­dő mo­ni­to­ro­zá­sa len­ne. A rész­le­tes szá­mí­tá­sok és szi­mu­lá­ci­ók azt mu­tat­ják, hogy a ter­ve­zett 42 mé­te­res eu­ró­pai óri­ás­táv­cső (E-ELT, Euro­pe­an Ext­remely Lar­ge Te­lesc­ope) a szin­tén még csak ter­ve­ző­asz­ta­lon lé­te­ző CO­DEX (Cos­mic Dy­na­mics Ex­pe­ri­ment) spekt­ro­gráf­fal fel­sze­rel­ve kö­rül­be­lül 20 évet át­fo­gó, össze­sen mint­egy 4000 órá­nyi meg­fi­gye­lés­sel ké­pes lesz ki­mu­tat­ni a ke­re­sett vál­to­zást.

A mo­del­lek ál­tal jó­solt ki­csiny vál­to­zás ki­mé­ré­se a je­len­le­gi spekt­rog­rá­fok­kal biz­to­san nem le­het­sé­ges - még a leg­pon­to­sab­bak­kal sem - az al­kal­ma­zott hul­lám­hossz-ka­lib­rá­ci­ós mód­sze­rek elég­te­len­sé­ge mi­att. Tesz­te­lé­si fá­zis­ban van­nak azon­ban már azok a mű­sze­rek, me­lyek a 2005-ben fi­zi­kai No­bel-díj­jal is ju­tal­ma­zott ún. op­ti­kai lé­zer­fé­sűs mód­szert hasz­nál­ják a hul­lám­hossz-ka­lib­rá­ció pon­tos­sá­gá­nak nagy­ság­ren­dek­kel tör­té­nő ja­ví­tá­sá­ra, így ezek­kel esély mu­tat­ko­zik az em­lí­tett na­gyon ki­csi ef­fek­tus de­tek­tá­lá­sá­ra.

A lé­zer­fé­sűs mód­szer lé­nye­ge, hogy a hul­lám­hossz-ka­lib­rá­ci­ó­hoz a ha­gyo­má­nyos, tó­ri­um­mal töl­tött lám­pák emisszi­ós szín­kép­vo­na­la­in ala­pu­ló el­já­rás he­lyett a frek­ven­cia­tar­to­mány­ban egy­más­tól egyen­lő tá­vol­ság­ban lé­vő na­gyon kes­keny lé­zer­im­pul­zu­so­kat hasz­nál­nak. Az egyen­kö­zű pul­zu­so­kat a vizs­gált égi­test fé­nyé­vel együtt a spekt­ro­gráf­ba ve­zet­ve az ob­jek­tum szín­ké­pé­re sok kes­keny, fé­nyes, na­gyon pon­to­san is­mert hul­lám­hosszú vo­nal mon­tí­roz­ha­tó, ami nagy­ban meg­nö­ve­li a ka­lib­rá­ció, s így vég­ső so­ron a ra­di­á­lis se­bes­sé­gek mé­ré­sé­nek pon­tos­sá­gát is. Az ESO (Euro­pe­an So­ut­hern Ob­ser­va­to­ry) és a Max Planck Ins­ti­tu­te for Qu­an­tum Op­tics (MPQ, Gar­ch­ing, Né­met­or­szág) együtt­mű­kö­dé­se ke­re­té­ben 2007-ben la­bo­ra­tó­ri­u­mi kö­rül­mé­nyek kö­zött si­ke­re­sen tesz­tel­ték egy ilyen mű­szer pro­to­tí­pu­sát.

Az ESO és az MPQ együtt­mű­kö­dé­sé­ben épí­tett kí­sér­le­ti mű­szer váz­la­ta. A ru­bi­di­um atom­órá­val ve­zé­relt lé­zer­fé­sű egy­más­tól 250 MHz tá­vol­ság­ra lé­vő kes­keny im­pul­zu­so­kat szol­gál­tat. A mó­dus­azo­no­sí­tás egy 1583 nm-en mű­kö­dő fo­lya­ma­tos üze­mű lé­zer se­gít­sé­gé­vel tör­té­nik. Mi­vel a pul­zu­sok is­mét­lő­dé­sé­nek frek­ven­ci­á­ja a spekt­ro­gráf fel­ol­dó­ké­pes­sé­gét meg­ha­lad­ja, ezért egy Fabry-Pé­rot re­zo­ná­tor­ral a pul­zu­sok egy ré­szét ki­szű­rik. A lé­zer­fé­sű így át­ala­kí­tott je­lei egy op­ti­kai szá­lon ke­resz­tül ke­rül­nek egy nya­láb­egye­sí­tő­be, ahon­nan a vizs­gált égi­test - a teszt ese­té­ben a Nap - fé­nyé­vel együtt jut­nak a spekt­ro­gráf­ba. A han­gol­ha­tó Fabry-Pé­rot re­zo­ná­tor se­gít­sé­gé­vel az ef­fek­tív pul­zus­tá­vol­ság 1 és 15 GHz kö­zött vál­toz­tat­ha­tó.
[Ste­in­metz és tsai, http://​ast​rono​my.​swin.​edu.​au/~mmurphy/freq­comb_­de­mo nyo­mán nyo­mán]

A si­ke­res la­bo­ra­tó­ri­u­mi tesz­tek után 2008 már­ci­u­sá­ban a mű­szert éles­ben is ki­pró­bál­ták, még­pe­dig a Ka­ná­ri-szi­ge­te­ken mű­kö­dő né­met VVT (Va­cu­um To­wer Te­lesc­ope) nap­táv­cső­re sze­rel­ve. A ku­ta­tó­cso­port egyik tag­ja, Ti­lo Ste­in­metz (MPQ, Men­lo Sys­tems GmbH) sze­rint a mű­szer már mos­ta­ni ál­la­po­tá­ban is pon­to­sabb a ha­gyo­má­nyos ka­lib­rá­ci­ós mód­sze­rek­kel ka­pott ada­tok­hoz ké­pest, így a to­váb­bi fej­lesz­té­sek na­gyon ígé­re­te­sek.

A hát­tér­ben a Nap fo­to­szfé­rá­já­nak ab­szorp­ci­ós szín­ké­pe (szé­les sö­tét vo­na­lak) né­hány föl­di ere­de­tű lég­kö­ri vo­nal­lal (Atm) az 1,5 μm kö­rü­li inf­ra­vö­rös tar­to­mány­ban, míg az elő­tér­ben a lé­zer­fé­sű 15 GHz pul­zus­tá­vol­sá­gú spekt­ru­ma (kes­keny vi­lá­gos vo­na­lak) lát­ha­tó. A szín­ké­pek disz­per­zi­ó­já­nak irá­nya víz­szin­tes, míg a füg­gő­le­ges irány a Nap fo­to­szfé­rá­já­nak tér­be­li met­sze­te (a spekt­ro­gráf ré­sé­nek irá­nya). A fel­ső rész az alul lát­ha­tó spekt­rum ki­nya­gyí­tott ré­sze. Az ab­szo­lút frek­ven­ci­á­já­val is meg­je­lölt leg­fé­nye­sebb mó­dus a mó­dus­azo­no­sí­tás­hoz hasz­nált foly­to­nos üze­mű lé­zer­di­ó­da vo­na­lát is tar­tal­maz­za. A fel­ső ré­szen lát­ha­tó a ha­gyo­má­nyos ka­lib­rá­ci­ós el­já­rás so­rán hasz­nált tó­ri­um lám­pa egyet­len, eb­be a tar­to­mány­ba eső emisszi­ós vo­na­la is. En­nek rög­zí­té­sé­hez 30 perc­re volt szük­ség, míg a lé­zer­fé­sű spekt­ru­má­é­hoz mind­össze 10 ms-ra.
[Ste­in­metz és tsai, http://​ast​rono​my.​swin.​edu.​au/~mmurphy/freq­comb_­de­mo]

A Nap spekt­ru­má­val vég­zett si­ke­res tesz­tek után a mű­szer kö­vet­ke­ző vál­to­za­tát az ESO 3,6 mé­te­res táv­csö­vén üze­me­lő HARPS spekt­ro­gráf­hoz ké­szí­tik el, ami je­len­leg az egyik leg­si­ke­re­sebb ex­o­boly­gó ke­re­ső/azo­no­sí­tó mű­szer­együt­tes. A je­len­le­gi mód­sze­rek­kel és pon­tos­ság­gal leg­in­kább óri­ás­boly­gók azo­no­sít­ha­tók, de a lé­zer­fé­sűs tech­no­ló­gi­á­val már de­tek­tál­ha­tók lesz­nek tá­vo­li csil­la­gok föld­mé­re­tű kí­sé­rői is. A fej­lesz­tés vég­ső cél­ja ter­mé­sze­te­sen a CO­DEX spekt­ro­gráf meg­fe­le­lő ka­lib­rá­ci­ós tech­ni­ká­val tör­té­nő fel­vér­te­zé­se.

Az ered­mé­nye­ket rész­le­te­ző szak­cikk a Sci­en­ce ma­ga­zin 2008. szep­tem­ber 5-i szá­má­ban je­lent meg.

Ér­de­mes meg­em­lí­te­ni, hogy a tesz­tek be­fe­je­zé­se után a csil­la­gá­sza­ti mé­ré­sek so­rán is a lé­zer­fé­süs tech­no­ló­gi­á­val fog mű­köd­ni a Fred Law­ren­ce Whipp­le Ob­ser­va­to­ry (USA, Ari­zo­na) 1,5 mé­te­res Til­ling­hast ref­lek­to­rán a ha­gyo­má­nyos tó­ri­um lám­pás mód­dal 2007 óta üze­me­lő, hon­fi­tár­sunk, Fű­rész Gá­bor ál­tal épí­tett TRES (Til­ling­hast Ref­lec­tor Echel­le Spectro­gra­ph) spekt­ro­gráf hul­lám­hossz-ka­lib­rá­ci­ó­ja is. A tech­no­ló­gia új­don­sá­ga mi­att va­ló­szí­nű­leg a TRES az el­ső, már mű­kö­dő, nagy­fel­bon­tá­sú, csil­la­gá­sza­ti cé­lo­kat szol­gá­ló spekt­ro­gráf, ami a lé­zer­fé­süs mód­szert hasz­nál­ja a hul­lám­hossz-ka­lib­rá­ci­ó­hoz.

For­rás:

• ESO 26/08 - Inst­ru­ment Re­le­a­se
• Sci­en­ce Ma­ga­zi­ne, 2008.09.05.