Imaging stellar surfaces with intensity interferometry

Abstract

Context. Intensity interferometry was invented and used by R.Hanbury Brown and R.Q.Twiss in the 1960's to measure stellar angular diameters. Its main advantage over conventional interferometry is that it enables very long baselines and is insensitive to poor seeing. However, because it requires very large light collectors, it was never pursued further.
The Cherenkov Telescope Array (CTA) is a new upcoming facility that will detect rapid flashes of optical Cherenkov light induced by extraterrestrial gamma-rays. Its large telescopes could very well be used part-time for intensity interferometry. With its 2 km maximum baseline, it could image surfaces of hot stars at an unprecedented sub-milliarcsecond resolution.

Aim. To experimentally simulate intensity interferometry in the laboratory with an array analogous to the planned CTA.

Methods. Small pinhole apertures were illuminated by experimentally produced light with appropriate quantum statistics to simulate stars.
High-speed single-photon counting avalanche diode detectors mounted on laboratory telescopes made up the array, enabling more than 100 baselines. A digital data processor was used to calculate the spatial coherence of the stars.

Results. Intensity interferometry was successfully performed for stars of different sizes and shapes. With all the baselines available, it was possible to reconstruct two-dimensional maps of the spatial coherence required for image restoration.

Conclusions. The results experimentally demonstrated the validity and potential of a multi-telescope array similar to the CTA for stellar surface imaging.

Popular Abstract (Swedish)

Stjärnorna på himlen syns vara små eftersom de är avlägsna objekt, solar på enorma avstånd. Den närmaste stjärnan är Alfa Centauri på ett avstånd av 4,4 ljusår, cirka 41 miljon miljoner kilometer. Solen är den enda stjärna vars yta vi kan se i detalj medan andra stjärnor är så avlägsna att de inte ens i de största teleskopen syns som mer än små ljusa prickar.

De skarpaste bilder som i dag erhålls av himmelsobjekt fås med så kallade interferometrar. Dessa är anläggningar där flera teleskop kopplas ihop för att bilda ett gemensamt större instrument. Kraftfullast bland dessa är Europeiska Sydobservatoriets interferometer i Chile och dess amerikanska motsvarighet i Kalifornien. Med dessa har man lyckats avbilda ett fåtal stora stjärnor. Någon visade sig inte vara rund utan kraftigt avplattad eftersom den snurrar jättesnabbt kring sin axel. Andra stjärnor kan tänkas ha andra former eller kan bestå av flera stjärnor i omloppsbanor tätt kring varandra. Att se stjärnor som utsträckta objekt kan lära oss mycket om dem men också om vår egen stjärna, solen.

De stjärnor som hittills kunnat avbildas är jättestjärnor, mycket större än solen, och det finns tusentals ljusa stjärnor som fortfarande bara kan ses som prickar. Bildskärpan i en interferometer bestäms av avståndet mellan de teleskop som ingår i anläggningen: större avstånd ger bättre skärpa. Fastän man sedan länge drömt om att länka teleskop över många kilometrar, är det ännu inte möjligt över mer än ett par hundra meter. Begränsningarna sätts av kraven på extrem precision i hur ljuset mellan teleskopen måste kombineras, samt av luftoron i jordens atmosfär.

En annan teknik, så kallad intensitets-interferometri, tillåter längre avstånd mellan teleskopen och därmed en högre bildskärpa. Metoden innebär att det synliga ljuset i teleskopet omvandlas till elektroniska signaler som överförs i kablar utan att störas av luftens turbulens. Nackdelen är att viss information går förlorad, vilket gör det svårare att återskapa bilder av himmelsobjekten. Dessutom kräver denna teknik mycket ljus och därför också stora teleskop.

Genom en historisk tillfällighet uppförs nu en anläggning med sådana stora teleskop, CTA, ”Cherenkov Telescope Array”, för ett helt annat huvudändamål, att observera gammastrålning från världsrymden. När energirika gammastrålar tränger in i jordens atmosfär, skapas partiklar som utsänder blixtar av blåaktigt ljus, så kallad Tjerenkovstrålning. Eftersom denna är mycket ljussvag, måste teleskopen vara både stora och många. Teleskopens prestanda råkar motsvara vad som krävs för intensitets-interferometri och möjligheten till denna tillämpning har uppmärksammats inom projektet. Teleskopen kommer att ligga på avstånd upp till ett par kilometrar vilket möjliggör en bildskärpa som är storleksordningen bättre än med dagens anläggningar. Detta kommer att möjliggöra avbildning av främst stjärnor som är hetare än solen (tekniken fungerar bäst för varmare stjärnor). Möjligen kommer man till och med att kunna se silhuetter av planeter när de syns passera över stjärnskivan!

Eftersom tekniken aldrig använts med modern digital elektronik, måste metoderna utvecklas och testas innan observationer i full skala kan påbörjas. Detta är vad som gjorts i detta examensarbete. Många små teleskop sattes upp i ett laboratorium i ett mönster motsvarande det kommande CTA. Med denna installation mättes olika konstgjorda stjärnor. Efter analys av mätningarna, kunde storlek och form på de olika ”stjärnorna” bestämmas och det kunde experimentellt visas att teorin fungerade. Detta är första gången som avbildande intensitets-interferometri genomförts för astronomiskt relevanta objekt. Med denna teknik torde det bli möjligt att erhålla bilder av stjärnytor när CTA kommer i drift någon gång kring år 2020.

• author: Tiphaine, Lagadec
• supervisor: Dainis Dravins
• organization: Lund Observatory - Undergoing reorganization; Department of Astronomy and Theoretical Physics - Undergoing reorganization
• course: ASTM31 20141
• year: 2014
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Interferometry, Intensity interferometry, Second order coherence, Aperture synthesis, High resolution imaging, Stellar surfaces imaging, Cherenkov Telescope Array.
• publication/series: Lund Observatory Examensarbeten
• report number: 2014-EXA89
• language: English
• id: 4610770
• date added to LUP: 2014-08-28 10:03:16
• date last changed: 2016-01-27 11:25:21