Warum konnte der (kleine) Hubble KBO-Ziele für New Horizons besser finden als große Bodenteleskope mit adaptiver Optik?

Als bei der ersten Suche nach einem Kuipergürtel-Objekt, zu dem New Horizons nach dem Passieren von Pluto fliegen konnte, keine guten Ziele gefunden wurden, wurde das Hubble-Teleskop verwendet, und es führte zum aktuellen gezielten Vorbeiflug für 2019. Bei der ersten Suche wurden bodengestützte Teleskope verwendet. Als die Suche ohne ein gutes Ziel die Zeit knapp werden ließ, wurde der Hubble hinzugezogen, um zu helfen.

Laut dem, was Sie über die aktuelle Generation großer erdgestützter Teleskope mit adaptiver Optik lesen, haben diese Teleskope eine viel größere Winkelauflösung und Lichtsammelfläche als die Hubble. Warum war der Hubble besser in der Lage, ein gutes Ziel zu finden?

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Ein Teil der Antwort könnte sein, dass die aktuelle Generation von adaptiven Optikteleskopen nur adaptive Optiken im Infrarotbereich ausführt, zumindest wenn KBOs am ​​besten im sichtbaren Licht beobachtet werden, was ich nicht weiß, aber ich habe das auf eine separate Frage verschoben .

Wie passt das dazu: Das 8,3 m lange Subaru-Teleskop (das eines der bei der Bodensuche verwendeten Teleskope war) hat eine Lichtsammelfläche von 53 m2. Der Hubble hat eine Sammelfläche von 4,5m2. Die atmosphärische Absorption müsste also 91,5% betragen, damit sie die gleiche Lichtmenge sammeln können. Sicher ist die atmosphärische Absorption für einige Infrarotwellenlängen hoch, aber sicherlich nicht über alle relevanten Wellenlängen so hoch.

Ich vermute, es ist eine Kombination aus zwei Dingen:

1. Stabile, garantierte hochauflösende Bildgebung über das gesamte Sichtfeld, was mit bodengestützter adaptiver Optik nicht möglich ist;

2. Sehr niedriger Hintergrund in der Optik für HST (Hubble) im Vergleich zu einem sehr hohen Hintergrund für bodengestützte AO im nahen Infrarot.

Die meisten adaptiven Optiksysteme können nur in einem kleinen Bereich (dem "isoplanatischen Fleck") um einen hellen "Leitstern" (z. B. höchstens eine halbe Bogenminute Radius) korrigieren. Selbst bei künstlichen Laser-Leitsternen benötigen Sie noch einen mäßig hellen Leitstern für die sogenannte "Tip-Tilt" -Korrektur. Dies bedeutet, dass Sie nur in begrenzten Teilen des Himmels nach adaptiven Optiken suchen können.

HST hingegen liefert jederzeit hochauflösende Bilder über das gesamte Sichtfeld (mehrere Bogenminuten), unabhängig davon, wohin sie zeigen.

Erschwerend kommt hinzu, dass sich die Flugbahn von New Horizons in der Nähe der galaktischen Ebene befindet, sodass es viele schwache Hintergrundsterne gibt. Dies macht es schwieriger, mögliche Objekte des Kuipergürtels auszusuchen, was eine sehr genaue und stabile Punktstreufunktion (wie die von HST ) noch wichtiger macht.

Diese Suchen werden am besten in der Optik durchgeführt, um den Hintergrund des Himmels zu minimieren. Das Fehlen von atmosphärischem Himmelslicht (meistens gestreutes Licht von Sonne und Mond) für HST erleichtert das schnelle Erkennen schwacher Quellen wie KBOs. Die Tatsache, dass adaptive Optiksysteme, wie Sie und Rob Jeffries bemerken, fast ausschließlich im nahen Infrarot arbeiten, wo der atmosphärische Hintergrund viel höher ist, macht es für sie noch schlimmer.

Die adaptive Optik mildert nur die Luftturbulenzen, die die Bilder verwischen - und selbst das ist nur eine teilweise Wiederherstellung.

Alle anderen Probleme bleiben bestehen. Luft absorbiert verschiedene Wellenlängen. Luft hat eine gewisse Menge an Licht aus verschiedenen Quellen (Lichtverschmutzung usw.), die schwache Gegenstände maskiert. Usw.

Es gibt keinen wirklichen Ersatz für ein großes Teleskop, das im Vakuum arbeitet.

Ich denke, Sie haben in Ihrer Frage den Nagel auf den Kopf getroffen. KBOs werden im reflektierten Sonnenlicht gesehen und sind unglaublich schwach, da die Menge des reflektierten Lichts, die die Erde erreicht, als umgekehrte vierte Potenz ihrer Entfernung von uns gilt (siehe meine Antwort auf diese Frage zum Versuch, Oort-Wolkenobjekte zu betrachten).

Um solche Objekte zu sehen, sind tiefe Bildbeobachtungen mit geringer Hintergrundkontamination erforderlich. Dieser Hintergrund wird minimiert, indem Bilder mit einer extrem kleinen Punktstreufunktion (PSF) vorliegen - eine Art PSF, die nur mit weltraumgestützten Teleskopen oder bodengestützten Teleskopen mit adaptiver Optik erreicht werden kann.

Das Sonnenspektrum ist natürlich im sichtbaren Bereich stark ausgeprägt, und bodengestützte adaptive Optiksysteme sind in diesem Wellenlängenbereich nicht wirksam (bodengestütztes AO arbeitet im nahen Infrarot, aber zusätzlich zu den KBOs, die an sich schwächer sind Bei diesen Wellenlängen gibt es auch das Problem des Hintergrundrauschens, das sowohl von der Erdatmosphäre als auch vom Teleskop selbst verursacht wird. Daher ist das Hubble-Weltraumteleskop das Instrument der Wahl.

Die Größe dieser Kuipergürtelobjekte ist zunächst unglaublich klein. Die Atmosphäre verzerrt die Sterne normal und streut das Licht auch in den klarsten Nächten. Darüber hinaus können diese näheren Objekte mit Infrarotdetektion gefunden werden. Die Atmosphäre absorbiert Infrarotwellenlängen sehr gut, was weltraumgestützte Beobachtungen erforderlich macht. Das Hubble-Teleskop erkennt auch ultraviolettes, sichtbares und nahes Infrarot, was es zu einem idealen Teleskop für diese kleinen Kuipergürtelobjekte macht.

Um die atmosphärische Absorption zu bewältigen, werden bodengestützte Teleskope wie das Subaru-Teleskop auf Bergen gebaut, damit weniger Atmosphäre zum Durchschauen und die Möglichkeit einer Wolkendecke vorhanden ist. Das Problem bei der Suche nach KBO war jedoch, dass dies in kurzer Zeit erfolgen musste, damit New Horizons mit weniger Treibstoff dorthin geleitet werden konnte. Hubble ist dafür ideal, da es die Objekte den ganzen Tag in die richtige Richtung betrachten kann, während bodengestützte Teleskope dies nur nachts tun können, vorausgesetzt, es ist klar genug, um diese Objekte zu sehen. Normalerweise ist Hubble den exklusivsten wissenschaftlichen Projekten und Suchvorgängen vorbehalten, da die Datenqualität erstaunlich ist. New Horizons hatte bereits so viel gekostet, dass es sich lohnte, ein wenig Zeit für die Suche nach dem nächsten Ziel zu verwenden, anstatt nur bodengestützte Teleskope.

Dieser [1] Artikel legt nahe, dass einer der Vorteile von Hubble und anderen Weltraumteleskopen darin besteht, dass sie sehr schwache Objekte besser abbilden können, da sie sich nicht mit atmosphärischem Glühen auseinandersetzen müssen. Die adaptive Optik hilft dabei nicht, und ein größerer Sammelbereich sammelt auch mehr Hintergrundlicht. Auch das atmosphärische Leuchten ist im Infrarot stärker als im sichtbaren Licht.

Andere aufgeführte Unterschiede: Bodenteleskope können aufgrund atmosphärischer Turbulenzen keine so genauen Helligkeitsmessungen durchführen (AO hilft anscheinend nicht dabei); Bodenteleskope können aufgrund größerer Größen eine bessere Winkelauflösung haben. Bodenteleskope können größere, schwerere und bessere Spektrographen verwenden, als dies in Raumfahrzeugen praktikabel ist.

[1] Einführung in die adaptive Optik und ihre Geschichte, Claire Max, am Center for Adaptive Optics, U. Calif, 2001