Improving Lucky Imaging Photometry

For de fleste jordbaserede optiske og nær-infrarøde telescoper i dag, er seeing den begrænsende faktor i rumlig opløsning. Turbulens i de atmospæriske lag forstyrrer lyset fra astronomiske objekter og spreder det ud over et større område, og det er bredden af dette område man kalder seeing. Selv på observatorier placeret flere kilometer over havets overflade, opnår man sjældent en seeing bedre end 0.5" (buesekund) og er den bedre end 1" anses den for at være god. Til sammenligning svarer en seeing på 1" til den højeste rumlige opløsning man kan opnå med et 10 cm teleskop.

Adaptiv optik (AO) kan bruges til at modvirke effekterne af den atmosfæriske turbulens. Dette gøres ved at analysere bølgefronten med få millisekunders mellemrum og korrigere et spejl, der ligger i lysets bane, mens observationerne foregår. AO systemer er dog meget komplicerede og dyre, og derfor ikke rentable for mindre teleskoper.

En anden løsning på dette problem er at lave korte exponeringer hurtigt efter hinanden. Ved meget korte exponeringstider (∼ 10 ms) er det muligt at fastfryse bølgefronten, før den bliver ændret af den atmosfæriske turbulens. Ved at analysere hver af disse korte exponeringer, kan man modvirke de atmosfæriske forstyrrelser og derved opnå en højere rumlig opløsning når man lægger exponeringerne sammen. Selv ved længere exponeringstider (∼ 100 ms) er det muligt at begrænse effekten af billedbevægelse skabt af turbulens i atmosfæren.

I en lille del af disse korte exponeringer, vil bølgefronten være nået hele vejen igennem atmosfæren stort set uden at blive forstyrret. Hvis man kun lægger disse ’heldige’ exponeringer sammen, kan man opnå meget høj opløsning. Denne metode kaldes Lucky Imaging.

På grund af udlæsestøj giver det for det meste ikke mening at bruge konventionelle CCD’er til at lave korte exponeringer. I en elektron multiplicerende CCD (EMCCD) bliver signalet forstærket før det bliver læst ud, og det gør udlæsestøjen ubetydelig i forhold til signalet, selv ved meget korte exponeringer.

I denne afhandling beskriver jeg et to-farve EMCCD instrument, der er blevet designet til The Stellar Observation Network Groups (SONG) 1m teleskoper og det Danske 1.54m teleskop, samt det bidrag jeg har givet til instrumentets design, konstruktion og tests, og udvikling af pipeline- og reduktions-software. Motivationen bag dette instrument er at muliggøre simultane observationer i det røde og visuelle bånd, og derved give øjeblikkelig farveinformation og maksimere de detekterede bølgelængder uden at miste rumlig opløsning. Instrumentet har nu været brugt til regelmæssige observationer i flere år, ved hjælp af den software jeg har udviklet specielt til dette formål.

Som en del af afhandlingen har jeg lavet en analyse af instrumentets ydeevne på det Danske teleskop. Denne viser, at den rumlige opløsning bliver forbedret med op til en faktor to, når man bruger Lucky Imaging metoden, og at en opløsning på under 0.4" kan opnås regelmæssigt. Det bliver desuden vist at instrumentet leverer en meget høj fotometrisk precision, især i områder, der er meget tæt besat af stjerner.

Instrumentet skal hovedsageligt bruges til at finde planeter om andre stjerner end Solen, ved hjælp af en metode kaldet gravitationel mikrolinsning. Det er dog også blevet brugt til en række andre videnskabelige programmer, som for eksempel fundet af to ringe rundt om det lille asteroide-lignende objekt (10199) Chariklo. Derved blev Chariklo det mindste objekt i solsystemet, hvorom ringe er

observeret.

Afhandlingen beskriver også de første resultater fra et studie, hvor et antal kuglehobe er blevet observeret regelmæssigt over en periode på over et år. Selvom de fleste af disse kuglehobe er velstuderede, er jeg i stand til at finde en lang række hidtil ukendte variable stjerner i disse, ved at udnytte den høje opløsning og præcise fotometri som to-farve instrumentet leverer.