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Título: Manipulando a luz das estrelas: ampliando as fronteiras da observação astronômica de estrelas duplas e seus companheiros com uma máscara de pupila adaptativa
Título(s) alternativo(s): Manipulating starlight: expanding the frontiers of astronomical observation of binary stars and their companions with an adaptive pupil mask
Autor(es): Bezerra, Evaldo Victor Lima
Orientador(es): Mello, Alexandre José Tuoto Silveira
Palavras-chave: Astronomia - Observações
Estrelas duplas
Turbulência atmosférica
Óptica Adaptativa
Instrumentos ópticos
Interferometria
Astronomy - Observations
Double stars
Atmospheric turbulence
Optics, Adaptive
Optical instruments
Interferometry
Data do documento: 6-Dez-2023
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: BEZERRA, Evaldo Victor Lima. Manipulando a luz das estrelas: ampliando as fronteiras da observação astronômica de estrelas duplas e seus companheiros com uma máscara de pupila adaptativa. 2024. Dissertação (Mestrado em Física e Astronomia) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2023.
Resumo: Grande parte do conhecimento que possuímos sobre as estrelas duplas, foi obtido da luz do espaço que chega aos nossos telescópios. As informações que essas ondas eletromagnéticas nos fornecem, são essenciais no estudo de objetos astrofísicos. Para aprimorar o acervo dessa fonte, diversos instrumentos e técnicas estão em desenvolvimento para resolver os problemas inerentes a captação dessa luz. A luz incidente em telescópios refletores, por exemplo, além de passarem por difração Fraunhofer, sofrem espalhamento devido a obstruções presentes na sua estrutura, bloqueando parte da luz. Se desejamos estudar objetos próximo de estrelas, como exoplanetas, estrelas companheiras ou o material circunstelar, esse espalhamento é um grande problema. Além dos problemas técnicos, existem fatores naturais que degradam a qualidade da imagem, como a turbulência atmosférica. Se esse fator não for mitigado, não adiantará continuarmos a aumentar a abertura do telescópio, pois a verdadeira limitação da resolução angular para os telescópios terrestres é a atmosfera. As variações do índice de refração na atmosfera turbulenta distorcem a frente de onda, fazendo com que a função de propagação do ponto (PSF) de exposição curta pareça pontilhada. Essas manchas (speckles), em um regime de longa exposição, formam um grande halo em torno de um núcleo central, perdendo as informações astrométricas. A formação dessas manchas dependerá da força da turbulência, com pior seeing resultando em um halo maior. Um sistema em óptica adaptativa (AO) pode ser usado para reduzir a variação de fase em uma frente de onda, aumentando a fração de energia em um núcleo de difração limitado. No entanto, nenhum sistema de AO é perfeito e sempre haverá variância de fase residual. Este trabalho, investiga um método para atenuar o efeito dessa variância, utilizando uma máscara de pupila adaptativa (APM). Ela poderá trabalhar sozinha ou em conjunto com o sistema de AO, reduzindo o halo da PSF e com isso melhorando o desempenho do telescópio na observação de estrelas duplas muito próximas, cuja resolução fique abaixo de ½ segundo de arco, resolução essa onde o Gaia apresenta muitas soluções espúrias. Também esperamos com esse sistema ser possível melhorar o contraste da imagem, possibilitando a detecção de exoplanetas e companheiros fracos na órbita próxima dessas estrelas. Ao realizar o bloqueio ativo de áreas da frente de onda que estejam fora de fase, a APM nos possibilita manipular a PSF. Propomos uma simulação alternativa em AO, incluindo a máscara pupilar adaptativa, utilizando o software de simulação OOMAO (Mathlab). Propomos ainda a substituição do espelho deformável pela APM composta por espelhos MEMS, um dispositivo eletrônico mais acessível, uma vez que, os espelhos deformáveis piezoelétricos são onerosos. Com isso esperamos apresentar uma opção mais econômica, apesar de limitada, para o projeto ótico, considerando o melhor custo-benefício.
Abstract: Much of our knowledge about double stars was obtained from the light from space that reaches our telescopes. The information provided by these electromagnetic waves is essential in the study of astrophysical objects. To improve the resources from this source, various instruments and techniques are under development to address the inherent challenges of capturing this light. Incident light in reflecting telescopes, for example, not only undergoes Fraunhofer diffraction but also scatters due to obstructions in their structure, blocking a portion of the light. If we wish to study objects near stars, such as exoplanets, companion stars, or circumstellar material, this scattering becomes a significant problem. In addition to technical issues, there are natural factors that degrade image quality, such as atmospheric turbulence. If this factor is mitigated, increasing the telescope’s aperture will be of little use, as the actual limitation of angular resolution for terrestrial telescopes is the atmosphere. Variations in the refractive index in turbulent atmospheres distort the wavefront, causing the point spread function (PSF) of short exposure to appear speckled. These speckles, in a long exposure regime, form a large halo around a central core, losing astrometric information. The formation of these speckles depends on the strength of turbulence, with worse seeing resulting in a more giant halo. An adaptive optics (AO) system can reduce the phase variation in a wavefront, increasing the energy fraction in a diffraction-limited core. However, no AO system is perfect, and there will always be residual phase variance. This work investigates a method to mitigate the effect of this variance using an adaptive pupil mask (APM). It can work alone or in conjunction with the AO system, reducing the PSF halo and thus improving the telescope’s performance in observing very close binary stars with a resolution below ½ arcseconds, a resolution where Gaia presents many spurious solutions. We also hope this system can improve image contrast, enabling the detection of exoplanets and faint companions in the close orbits of these stars. By actively blocking areas of the wavefront that are out of phase, the APM allows us to manipulate the PSF. We propose an alternative AO simulation, including the adaptive pupil mask, using the OOMAO simulation software (Mathlab). Additionally, we suggest replacing the deformable mirror with the APM composed of MEMS mirrors, a more affordable electronic device, given that piezoelectric deformable mirrors can be costly. This is aimed at providing a more economical, albeit limited, option for the optical project, considering the best cost-benefit ratio.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/33494
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