5.1 Optik ve Kırmızı Ötesi Bölgenin Gözlenmesi
5.1.1 Giriş
Bu kısımda ve hemen müteakip alt başlıklarda, vurgulama radyasyon ve diğer bilgi taşıyıcılarının belirlenmesi, bu belirlemenin en verimli ve en kolay kullanımı için aletler ve teknikler üzerine yapılacaktır. Özelikle bu kısımda teleskoplar dedektörlere gerekli ilaveler olarak işin içine girmektedir. Bir teleskobun bir nokta kaynağın görüntüsünü oluşturması için gerekli teori bizi yüzey gösteren kaynakların görüntüsü teorisine götürür. Bundan dolayı da her iki teori birlikte tartışılacak, geniş cisimlere ait olan kısım görüntüleme kısmında daha ayrıntılı incelenecektir.
Optik bölge yakın kırmızı ötesi ve ultravioleyi içerecek şekilde alınır, bu kabaca 10 nm ile 100 mm bölgelerini kapsar. Bu bölgelerin incelenmesi için sarfedilen teknik ve fiziksel işlemler en azından birbirlerine jenerik olarak benzerlik gösterir ve böylece belki de birlikte tartışılmaları uygun olabilir.
5.1.2 Detektör Tipleri
Optik bölge dedektörleri termal ve kuantum dedektörleri olarak iki ana grup içine girerler. Her iki tipte inkoherenttir, yani sadece elektromanyetik dalganın genliği keşfedilebilir. Faz bilgisi kayıptır. Koherent dedektörler uzun dalga boylarında ortaktır. Burada sinyal lokal osilatörden gelenle karışmıştır (heterodyne prensibi). Ancak son zamanlarda optik heterodyne teknikleri laboratuvarlarda geliştirilmiş ve henüz astronomiye uygulanamamıştır. Bundan dolayı bütün optik dedektörleri pratikte inkoherent olarak emniyetli bir şekilde gözönüne alabiliriz.
Kuantum dedektörlerinde, optik sinyalin bağımsız fotonları direk olarak dedektörün elektronları ile etkileşime girerler. Bazen elektronlar tek tek izlenebilir (foton sayıcı), bazen de termal dedektörlerdeki gibi bir analog devre çıkışı şeklinde tesbit edilir. Kuantum dedektörlerine örnekler göz, fotografik emisyon, fotokatlandırıcılar, fotodiot ve yük toplayan (CCD) aletlerdir.
Buna karşılık termal detektökler absorbsiyonun ısıya hassas elemanlar üzerinde oluşturduğu sıcaklığın artmasından ortaya çıkan radyasyonu detekte eder. Genellikle bu tür dedektörler kuantum dedektörlerinden gerek hassasiyet olarak gerekse hız olarak daha düşüktürler. Buna karşılık çok geniş bir spektrum aralığında işlem görürler. Örnekler: Termokulp, pyroelektrik dedektörler, bolometreler ve Golay hücreleri.
5.1.2.1 Göz
Göz insanlar için şüphesiz en temel dedektördür. Bir kaç uygulama hariç artık birincil dedektör olarak nadiren kullanılmaktadır. Çok yakın çift yıldız çalışmalarında, gezegen gözlemlerinde, ve speckle interferometre ve uzay gezegen sondaları gibi bazı bir kaç özel gözlemde göz faydalı görevler alabilir. Daha genel olarak, diğer dedektörlerle çalışma yapılırken vizüel olarak cisimleri bulmakta ve takip etmekte gereklidir. Böylece, gözü ve özellikle onun kusurlarının bu tür işlemlerde nasıl etkisi olacağının anlaşılması önemlidir.
Temel optik prensipler çerçevesinde gözü basit olarak ele almak bizi yanlış yola sevk edebilir. Göz ve beyin görme işlemini birlikte yaparlar. Bu durum, optik
Şekil 5.1.2.1 Gözdeki optik kısımlar
olarak eşdeğer bir kamera sisteminin şartlara bağlı olması gerçeğine göre, daha iyi veya daha kötü sonuçlar verebilir. Göz durumunda retinadaki görüntü ters çevrilir ve bir kromatik aberasyon söz konusu olur. Ancak, bu tür etkiler beyin tarafından telafi edilmektedir. Bunun aksi olarak, gözün ayırma gücü sınırına yakın son derece kontras veya parlak cisimler, örneğin güneşin önünden geçen bir gezegen veya Mars "kanalları" yanlış izah edilebilir.
Gözün optik prensipleri Şekil 5.1.2.1 'de görülmektedir. Retinadaki reseptörler (Şekil 5.1.2.2) iki tiptir; renkli görebilmek için konik hücreler, yüksek hassasiyette siyah ve
Şekil 5.1.2.2 Retinal alıcı (reseptör) hücreler.
beyaz görebilmek için çubuk hücreler vardır. Işık bu reseptörlere ulaşmadan önce sinirle ilişkili dış tabakalardan geçer. Çubuk hücrelerde "rhodopsin" olarak bilinen bir pigment radyasyonu absorblar. Yaklaşık 40 000 amu (atomik kütle birimi) moleküler ağırlıklı karmaşık bir proteindir. Rhodopsinin absorsiyon eğrisi Şekil 5.1.2.3 'de verilmiştir. Rhodopsinler yaklaşık 20 nm kalınlığında 500 nm genişliğindeki bir tabakada çubuk hücreler içinde dizilmişlerdir, ve hücrenin kuru ağırlığının % 35 'ini oluşturabilirler. Işığın etkisi altında küçük bir kısmı parçalanır. Şekil 5.1.2.4 'de konik hücrelerle yapılan görüş altında pigmentlerin farklı renkler için absorbsiyon eğrileri verilmiştir.
Şekil 5.1.2.3 Rhodopsin absorbsiyon eğrisi.
Astronomik gözlemler genellikle çubuk hücreler tarafından sağlanır. Genellikle karanlığa iyi adapte olmuş bir göz için bağımsız bir çubuk hücresinin uyarılması için 1 ila 10 foton gerekmektedir. Ancak, bununla beraber beyne gönderilecek bir uyarının ortaya çıkması için birkaç çubuk hücrenin tetiklenmesi gerekir. Bu durum, bir çok çubuk hücrenin tek bir sinir ağına bağlı olmasından ileri gelir. Her ne kadar merkezi foveadaki çubuklar, sinir ağları ile bire bir ilişkili iseler de, keza çoğu çubuklar çoklu bağlar halindedir. Çubukların toplam sayısı 108 kadardır. Bunların ~6x106 'sı konik hücreler, ~106 'sı sinir lifleri olmak üzere yaklaşık 100 reseptör bir tek sinir hücresiyle ilişkidir. İlave olarak reseptör grupları arasında karşılıklı bir çok ilişki vardır.
Şekil 5.1.2.4 Pigmentlerin absorbsiyon eğrisi
Konikler merkezi foveaya doğru yoğunlaşmışlardır. En keskin görüşü sağlayan bölge burasıdır. Buna karşılık çubuklar, görüş alanının kenarına doğru gidildiğinde çok bol miktardadır. Bu durum çok zayıf bir cismin direk bakılmadığında görünür olmasını sağlar. Ancak, cisim net değildir. Bir başka deyişle, bakılmaya yönde bir cisim olduğunu fark edersiniz fakat direk cismi görmek için yöneldiğinizde göremezsiniz. Bu olay literatürde "avert vision" olayı olarak geçer.
Gözün ayırmagücünün Rayleigh sınırı, irisin maksimum çapının beş, yedi milimetre olduğu zaman yaklaşık 20 yay saniyesidir. Fakat, birbirlerinden ayrık iki cismi ayırt edebilmek için retinada en azından bir uyarılmamış reseptör hücresini ayırmalıdırlar. Şöyle ki, cisim merkezi foveada olsa bile gerçek ayırmagücü bir iki yay dakikası arasında olur. Bütün etkiler gözönüne alındığında insan gözünün ortalama ayırmagücü nokta kaynaklar için 5 ila 10 yay dakikası civarındadır.