YERDE AMA UZAYDAYMIŞÇASINA

Astronotlar’dan merhaba! Bu hafta yer tabanlı gözlemlerin kalitesini uzaya çıkaran bir yöntem olan adaptif optik tekniğinden bahsedeceğiz. Adaptif optik nedir, neden ihtiyaç duyulmuştur, nasıl keşfedilmiştir, uygulama alanları nelerdir gibi soruların cevaplarını bulacağız. O halde, daha fazla bekletmeden yazımıza geçelim.

Henüz Starlink gibi insan yapımı gözlem engelleri dahi ortada yokken atmosfer dışına gönderilen uzay teleskopları vardı. Tabii ki uzayda bir teleskop barındırmak çok hoş ve çok havalı ama bilimsel olarak neden buna ihtiyaç duyuldu?

Geceleri gökyüzüne baktığımızda, yıldızlar bize göz kırparken gezegenlerin hiç oralı olmadıklarından bahsetmiştik daha önce. Aslında buna sebep olan şey temelde atmosferdeki türbülans. Atmosfer her ne kadar Dünya yüzeyini tehlikeli ışınlardan korusa da, bu bahsettiğimiz türbülansın etkisi yer tabanlı astronomik gözlemlerde hiç de azımsanacak ölçüde değildir. Atmosferdeki türbülans dediğimiz şey, atmosfere giren ışığın atmosferdeki farklı sıcaklık katmanları, farklı bölgelerdeki farklı rüzgar hızları gibi nedenlerle sürekli saçılmaya ve kırılmaya uğraması durumudur. Işık ışını kırılıp saçıldıkça sanki ışık kaynağı çok ufak da olsa yerinden oynuyor, sağa sola yukarı aşağı rastgele hareket ediyor gibi görünmektedir. Halbuki ışık kaynağının hareket ettiği yok, tüm mesele ışığın atmosfere geldiği gibi dümdüz ilerleyip gözümüze düz bir yol takip ederek varamıyor olmasıdır. Çıplak gözle baktığımızda bu durum yıldızların göz kırpıyor gibi görünmesine neden olmaktadır. Gökyüzünün bir teleskop yardımıyla fotoğrafını çekecek olursak, ya da bir gözlem için belirli bir bölgeye veya yıldıza odaklanacak olursak, atmosferik türbülans görüntüyü bulanıklaştırmaya neden olmaktadır. Haliyle tüm bu etkilerden kurtulmak için de astronomlar çareyi atmosferin olmadığı bir yere gitmekte buluyor ve teleskopları uzaya gönderiyoruz.

Örneğin; yer tabanlı bir tesleskopla Neptün gibi bir gezegene baktığımız zaman, atmosferdeki türbülans nedeniyle görüntü bulanıklaşmaktadır. Teleskoplar bize uzağı yakın kılsa da sönük cisimleri görünür kılan en önemli etken teleskopların gözlemlediğimiz cisimden gelen ışığı odakladığı noktaya, yani teleskobun odak noktasına yerleştirdiğimiz dedektörlerdir. Dedektörlerin çalışma yapısını fotoğraf makinesinin filmi gibi düşünebilirsiniz. Dedektör ışığa ne kadar maruz kalırsa, yani bir cisme ne kadar uzun süre bakarsa, ondan aldığı toplam ışık miktarı da o kadar fazla olur. Cisimden gelen ışık paketleri olan fotonlar, dedektörün yüzeyinde toplanır. Söz konusu gözümüz olduğunda durum böyle değildir, çünkü gözümüzün fotonları biriktirme kabiliyeti bulunmamaktadır. İyi ki de yok, çünkü öyle olsaydı bir süre sonra her yer bembeyaz olurdu, ya da belki de ha bire göz kırparak birikmiş fotonları temizleyen bir sistemle evrilmiş olurduk, kim bilir.

Sönük bir cisimden daha çok ışık alıp, onu daha iyi anlayabilmek istediğiniz zaman teleskopla o cisme daha uzun süre bakmanız, yani uzun bir poz süresi vermeniz gerekmektedir. Poz süresi ne kadar uzun olursa, cisimden toplanan ışık miktarı da o kadar çok olur. Ancak bu süre içinde atmosferden geçerek bize gelen fotonlar da bir o kadar çok saçılmış olmaktadır. Yani; uzun poz süresinin avantajı, gözlediğimiz cisimden çok miktarda foton elde etmek olsa da, dezavantajı atmosferik türbülanstan da bir o kadar çok etkilenmiş ve böylelikle de elde edilen görüntüyü de bir o kadar bulanıklaştırmış olmasıdır.

Astronomi en eski bilim dallarından biri olmasına rağmen uzay teleskopları görece yeni bir imkan. İlk uzay teleskobu 1990 yılında fırlatılan ve elde ettiği görüntülerle hala hepimizi hayran bırakan Hubble Uzay Teleskobu’dur.

İlk uzay teleskobu, evrenin genişlemesine dair çalışmalarıyla adını kozmoloji tarihine yazdıran Hubble’ın ismini taşımaktadır. Bu teleskop sayesinde elde ettiğimiz terabaytlarca veri ile tam da adına yaraşır bir şekilde evren hakkında bilmediğimiz bir çok şey öğrendik. Öte yandan uzay teleskopları her ne kadar bize temiz bir görüntü sunsa da, onların da dezavantajları bulunmaktadır. Örneğin; aşırı pahalı olmaları, bakım, onarım ve geliştirme işlemlerinin gerçekleştirilmesi için uzaya gidilmesi gerekmesi gibi. Tabii bir de uzaya gönderebileceğimiz teleskobun aynasının da çok büyük olması pek mümkün değildir. Bunun sebebi hem maliyetin oldukça yüksek olması, hem de uzayda aşırı büyük bir düzeneğin bir astronot yardımı olmaksızın kendi kendine kurulabilmesinin oldukça zorlu bir süreç olmasından dolayıdır. 

Sürekli teknoloji gelişiyor diyoruz. Peki gelişen bu teknoloji, yer tabanlı gözlemlerin atmosfer kaynaklı problemini çözmek için hiçbir şey yapmıyor mu?

Yapmaz olur mu? İşte tam da bu noktada devreye “Adaptif Optik” dediğimiz teknik giriyor. Bu tekniğe “Uyarlanabilir Optik Tekniği”de denmektedir. 

Diyelim ki sönük bir galaksinin gözlemini yapacağız. Önce galaksinin yanıbaşında, görece parlak bir referans yıldızı seçiyoruz, ki yıldızdan gelen ışık ile gözlemek istediğimiz gökadadan gelen ışık atmosferin hemen hemen aynı yerinden geçsin, yani atmosferimizden aynı derecede etkilensinler. Bunu sağlamak için şöyle bir yöntem izlenmekte: Yıldızdan gelen ışık, yıldız ışığındaki bozulmaları ölçen “wavefront sensörü” dediğimiz özel bir kameraya geliyor. Wavefront kelimesinin Türkçe karşılığı “dalga cephesi”dir. Bu ölçüm saniyenin yüzde biri, hatta binde biri kadar kısa bir zamanda gerçekleşmektedir. Zaten bu yüzden bu yıldızın parlak olması gerekmekte, çünkü yıldız sönük olursa atmosfer nedeniyle oluşan o hassas değişimleri ve bozulmaları o kadar kısa zamanda algılayamayız. Referans yıldızın bozulmasına dair sensörden gelen bilgi bilgisayara gönderiliyor ve bilgisayar yıldız ışığının ne şekilde, ne miktarda, nasıl bozulduğunu hızlıca hesaplıyor ve teleskobun şekil değiştirebilen aynasının şeklini değiştirecek olan sisteme çeşitli yönergeler gönderiyor. Böylece aynanın şekli bu bozulmayı giderecek şekilde değiştirilmiş oluyor. Şekli değişebilen aynanın normal teleskop aynasından farkı ise, arka kısmında metal bir yüzey ve bu yüzeyin altında da yüzlerce mıknatıslı ufak oynatıcının olmasıdır. Oynatıcı dediğimiz cihazı “actuator” olarak geçen, ufak bir motorkolu gibi düşünebilirsiniz. Gerektiği durumda aynayı alttan yukarı doğru itiyor veya aşağı doğru çekiyor ve böylelikle kimi yerlerde belirli bir açıyla eğilmiş oluyor. Bu da aynayı, atmosferdeki türbülans hareketinin oluşturduğu etkinin tam tersi bir etki oluşturacak şekle sokuyor ve türbülans etkisi neredeyse sıfırlanıyor. Tüm bunlar, referans yıldızından aldığımız ışık ile saniyenin kısacık bir kesrinde hesaplanıp eyleme geçirilmekte ve böylece kaynaktan gelen ışık aynaya düşer düşmez bu düzeltmeye maruz kalarak, veriler doğrudan atmosferik türbülanstan arındırılmış olarak kaydedilmek üzere dedektöre gönderilmektedir.

Peki ya gözlemlemek istediğimiz cismin yakınında parlak bir yıldız yoksa ne yapılıyor? Bu durumda, yapay bir referans yıldızı oluşturulmaktadır. Gözlem yapmak istenilen bölgeye teleskoptan özel bir dalga boyunda, çok şiddetli bir lazer ışını gönderilir. Bu lazer ışını sayesinde atmosferin yaklaşık 100 kilometre yüksekliğindeki bir bölgesindeki Sodyum atomlarının parıldaması sağlanmaktadır. Bu parıltı sanki orada bir referans yıldızı varmış gibi iş görüp, yapay yıldızdan alınan veri ile aynalar yine aynı gerekli şekilde, tıpkı gözlem yapmak istediğimiz cismin yanında bir referans yıldızı varmış ve bu ışık o yıldızdan geliyormuş gibi anlık ayarlamalar gerçekleştirilebilmekte. 

Bu fikir ilk olarak Horace Babcock adında bir astronom tarafından 1953 yılında ortaya atılmıştır. Tabii ki bu fikrin hayata geçmesi yine hükümetlerin akademi yerine orduya bütçe ayırması sayesinde oluyor. Üniversitelerde araştırma projeleri olarak değil, askeriyede kullanılmak üzere geliştiriliyor adaptif optik uygulamaları. 1960’lar ve 1970’lerde bu teknoloji üzerine çalışılıyor ve ilk olarak ABD askeriyesi New Mexico’daki “Starfire Optical Range” ve Hawaii’deki “Advanced Electro-Optical Facility” gibi sistemleri oluşturdular. Böylelikle aynanın çeşitli yerlerini en azından tek bir eksende, yani yukarı aşağı ittirebilirlerse görüntüyü keskinleştirebileceklerini keşfettiler.

Bunlardan yola çıkarak, çok daha hassas adaptif optik sistemleri Keck Gözlemevi’ndeki dev ikiz teleskoplara yerleştirildi. Avrupa Güney Gözlemevi olarak türkçeleşitriğimiz “European Southern Observatory” yani ESO, adaptif optik tekniğini neredeyse 20 yıldır kullanmaktadır. ESO’daki Çok Büyük Teleskop olarak bilinen VLT teleskobu ile elde edilen Neptün görüntüsü örneğinde, Hubble Uzay Teleskobu ile elde edilenden de iyi kalitede bir görüntü vermektedir ki bu gerçekten de çok büyük bir başarıdır.

Türkiye’de adaptif optik sistemini, aktif olarak kullanan bir gözlemevi henüz bulunmamaktadır. Fakat pek yakında olacak. Erzurum’da 3170 metre yükseklikteki Karakaya tepelerine kurulmakta olan Doğu Anadolu Gözlemevi (DAG), Atatürk üniversitesi’ne bağlı Astrofizik Araştırma ve Uygulama Merkezi olan ATASAM’ın önderliğinde sürdürülen bir projedir. DAG; açık gece sayısı, zirve yüksekliği, nemin düşüklüğü ve astronomik olarak yeterince karanlık olması bakımından oldukça kaliteli gözlem geceleri vaadediyor. 4 metre çapında aynaya sahip olacak olan DAG teleskopu, hem görsel hem de kızılötesi bölgede gözlem yapacak. Türkiye’nin ilk adaptif optik sistemli olacak teleskobun optik sistemini Işık Üniversitesi öncülüğünde bir ekip gerçekleştiriyor. Coğrafik konumu itibariyle de, yani diğer büyük gözlemevlerinden uzak oluşu bakımından gözlemsel olarak önemli bir boşluğu dolduracak olan DAG’ın 4 metrelik teleskobundan ilk ışık 2021’de alınacak şekilde planlanmaktadır.

Artık dünyada kullanımı oldukça yaygın olan adaptif optik sayesinde yer tabanlı gözlemlerde bile Hubble Uzay Teleskobu’ndan 10 kat daha keskin görüntüler elde edilebilmektedir. Türkiye’nin de kısa zamanda çağa ayak uyduracağından ve hatta kendi sınıfında öncü konuma geçeceğinden de eminiz. Yeter ki Elon Musk Starlink uyduları ile Dünya’dan yapılacak gözlemleri daha fazla zora sokmasın. 

astronotlar.org@gmail.com e-posta adresimize bahsettiğimiz içeriklere dair düşüncelerinizi belirtebilir, değinmemizi istediğiniz konuları yazabilir, bir kitap, link veya bilgi paylaşımında bulunabilirsiniz. Sosyal medya hesaplarımızdan bizi takip etmeyi unutmayın. Gelecek hafta görüşünceye dek, gökyüzüne iyi bakın. Hoşçakalın!

E-posta: astronotlar.org@gmail.com
Facebook: facebook.com/astronotlar.org
Instagram: instagram.com/astro_notlar
Twitter: twitter.com/astro_notlar
Anchor: anchor.fm/astronotlar

KAYNAKLAR VE GÖRSELLER

https://www.eso.org/public/turkey/teles-instr/technology/adaptive_optics/

Basic Optics for the ASTRONOMICAL SCIENCES, James B. Breckinridge,SPIE press, 2012, Chapter 11
Işık Üniversitesi, Dr. Onur Keskin:

https://www.youtube.com/watch?v=vIHshKHa2FM