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Schwedisches Solarteleskop auf La Palma High-Speed-Kamera zeigt die Sonne in atemberaubenden Details

| Autor / Redakteur: Ines Näther / Rainer Graefen

Das Solarteleskop eines schwedischen Instituts auf La Palma ermöglicht eine Bildauflösung von bis zu 1,1 Bogensekunden. Es erkennt damit bei einer Entfernung von 40 km Details von der Größe eines 10-Cent-Stücks. Ein adaptives Optiksystem, das auf einer Spezialkamera für High-Speed-Aufnahmen basiert, ermöglicht dies.

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Magnetische Feldlinien sind am besten in H-Alpha Aufnahmen zu erkennen. Das Bild wurde vom Schwedischen Solarteleskop auf La Palma erfasst.
Magnetische Feldlinien sind am besten in H-Alpha Aufnahmen zu erkennen. Das Bild wurde vom Schwedischen Solarteleskop auf La Palma erfasst.
(Bild: Mikrotron)

Steigt man das erste Mal in Santa Cruz de La Palma aus dem Flugzeug, kann man sich schon mal sofort verlieben. Neben vielen weiteren Gründen zieht die einzigartige Mischung aus Meer und Bergen viele Urlauber in ihren Bann. Und wenn es dunkel wird, begeistert ein funkelnder Sternenhimmel, wie ihn die meisten Städter noch nie gesehen haben.

Grund: Hier ist der Himmel wegen der hervorragenden atmosphärischen Bedingungen besonders dunkel und die Luft auf den Gipfeln besonders sauber. Damit das so bleibt, sind auf der ganzen Insel per eigenem Gesetz nur bestimmte Straßenbeleuchtungen zugelassen – was ein eigenes Gesetz genau regelt.

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Ein guter Grund, warum das schwedische 1-Meter-Solarteleskop, das auf dem Gebiet der hochauflösenden Sonnenbetrachtung weltweit führend ist, auf der kanarischen Insel steht. Es wird vom Institut für Solarphysik betrieben, das zum Fachbereich Astrophysik der Stockholmer Universität gehört.

Das wichtigste Forschungsziel des Instituts ist es, mehr über die äußere Hülle der Sonnenatmosphäre zu erfahren, die von Magnetfeldern geprägt ist und viele Fragen verursacht:

  • Wie entstehen Magnetfelder?
  • Wie werden sie geformt und letztendlich zerstört oder von der Oberfläche der Sonne entfernt?
  • Wie beeinflussen sie die äußere Atmosphäre der Sonne?
  • Sind sie für Sonnenstürme und die energetische Strahlung der Sonne mit verantwortlich?

Diese Fragen werden mit Hilfe von Beobachtungsdaten des Teleskopsystems untersucht, das auf 60 x 60 Bogensekunden der Sonne ausgerichtet ist - was einer Fläche von 43.320 x 43.320 km der Sonnenoberfläche entspricht. Diese Fläche ist dreimal größer als die Oberfläche der Erde, macht aber nur 0,03 Prozent der Sonnenoberfläche aus.

Um den Effekt atmosphärischer Störungen auszugleichen, ist das Teleskop mit einer adaptiven Optik ausgerüstet. Die Störungen werden von der Erdatmosphäre verursacht, die das Licht in willkürlicher Richtung krümmt. Sie sind der Grund, warum Sterne funkeln und sich die Sonne beim Untergang wellt. "Ohne die Optik würde das Solarteleskop nur verschwommene Bilder produzieren", sagt die Marketing-Managerin Mina Smolej bei Mikrotron.

Das Konzept der adaptiven Optik

Das Optiksystem innerhalb des Teleskops, das vom Swedish Research Council finanziert wurde, besteht aus einem Shack-Hartmann Wellenfrontsensor und einem deformierbaren Spiegel. Der Sensor besteht aus einer Glasplatte mit eingeätzten Mikrolinsen. So wird die Austrittspupille des Teleskops in 85 Segmente unterteilt.

Jedes liefert ein individuelles Bild der Sonne. Die atmosphärische Störung verändert das Bild – und zwar in jedem Segment anders. Die Veränderungen werden gemessen und in Befehle an den deformierbaren Spiegel umgewandelt. Dieser verändert dann entsprechend seine Form, um die Verzerrungen zu kompensieren.

High-Speed-Ausrüstung macht es möglich: 2.000 Bilder/s

Die große Herausforderung bei diesem Prozess ist die schnelle Veränderung der Atmosphäre. "Die Anpassung des Spiegels muss also exakt und in hoher Frequenz verlaufen und die Teleskop-Optik muss den Spiegel idealerweise mehr als 1.000 Mal/s korrigieren", erklärt Mina Smolej.

Weil dazu High-Speed-Technik erforderlich ist, wurde 2011 eine Eosens CL High-Speed-Kamera von Mikrotron installiert und zur Aufzeichnung des vom Sensor geformten Bildes verwendet. Dieses wird aus vielen kleinen Bildern der Sonne zusammengesetzt, wobei jedes einzelne von einem Segment der Austrittspupille erstellt wird. Schon während das Bild an den Computer weitergeleitet wird, erfolgt die Bildverarbeitung.

Bereits bei der Aufnahme der letzten Zeilen des Kamerabildes hat der Computer schon die Phasenvariation der gesamten Austrittspupille kalkuliert. Er muss dann nur noch berechnen, wie der Spiegel deformiert werden muss, um eine umgekehrte Phasenvariation zu erzeugen. Innerhalb von 1 Sekunde lassen sich 2.000 Bilder extrahieren, aufbereiten und messen.

Schnelle Datenübertragung

Um die höchstmögliche Bandbreite zu gewährleisten, verlassen sich die Forscher am Institut für Solarphysik auf die folgenden Features der High-Speed-Kamera:

  • Die Bilder werden über die Full Cameralink-Schnittstelle übertragen. Diese ist ebenso robust wie leistungsstark und lässt sich leicht in bestehende Anwendungen oder Anordnungen integrieren. Sie ermöglicht die High-Speed-Übertragung von Daten in 3 Konfigurationen. Eingestellt ist die schnellste Variante: Full.
  • Die Eosens CL ist mit 8 Taps ausgestattet. Ein Tap ist ein Datenpfad, der die Bilddaten überträgt.
  • Die Pixeltakt-Frequenz ist auf 80 MHz voreingestellt. Mit jedem Takt wird die digitale Einheit von einem Pixel übertragen. Cameralink ist für 20 bis 85 MHz ausgelegt.
  • Es wird ein ROI (Region of Interest) von 432 x 400 Pixeln festgelegt. So lassen sich mehr als 2.400 Bilder/s auslesen, bevor der Cameralink-Bus ausgelastet ist.
  • In der Praxis wird aber nur eine Bildrate von 2.000 fps eingestellt. Würde man mit der maximalen Bildrate aufnehmen, gingen durch jede technische Panne oder Verzögerung bei der Bildverarbeitung Einzelbilder verloren. Durch die verringerte Geschwindigkeit ist gewährleistet, dass die Kamera 24 Stunden am Tag fehlerfrei läuft.
  • Der eingebaute Bildzähler spürt verlorene Einzelbilder auf und prüft, ob der Framegrabber mit den eingehenden Bildern richtig synchronisiert ist.

Der Output der Kamera beträgt 10 Bit/Pixel. "Das ist zwar ein schönes Feature, aber wir bearbeiten die Bilder in Echtzeit. Mit einer Übertragung von 8 Bit pro Pixel können wir bestimmte Optimierungen vornehmen, ohne dabei die verfügbare Leistung der CPU zu überreizen", berichtet Guus Sliepen, Forschungsingenieur am Institut für Solarphysik.“

Bereitstellung von Rohdaten

Nicht alle Features der Eosens CL sind in jedem Setup hilfreich. Deshalb können alle integrierten Tools zur Bildverbesserung abgeschaltet werden. Um sicherzustellen, dass die Kamera auch wirklich unbearbeitete Daten liefert, sind beim Solarteleskop sowohl die FPN (Fixed Pattern Noise)-Korrektur als auch die digitale Verstärkung deaktiviert.

"Weil unser optisches System an sich nicht perfekt ist und so jeden Pixel auf unterschiedliche Weise verstärkt und verschiebt", erklärt Guus Sliepen. "Also messen wir das Dunkel- und Flachfeld des gesamten optischen Systems und nehmen die Korrektur mit unserer Software vor." Eine Ausnahme bildet dabei der Schwarzwert-Ausgleich: Um sicherzustellen, dass selbst in kompletter Dunkelheit jedes Pixel einen Wert von über 0 hat, wird dieses Feature entsprechend angepasst.

Einfach handzuhabende Kamera

Auf die Frage nach den besten Features der Kamera erwähnt Guus Sliepen ihre erstklassige Geschwindigkeit und die ausgezeichnete Leistung. Er betont aber auch die einfache Handhabung: "Die Kamera benötigt keine Firmware-Uploads oder proprietäre Steuerungs-Tools. Auch die serielle Schnittstelle ASCII ist sehr einfach bedienbar." Zudem lobt er auch das gut durchdachte Design. "Die Kamera ist solide und kompakt konstruiert und die Schraubenlöcher sind so platziert, dass sie leicht montierbar ist." Sein Fazit: "Die Eosens CL ist die am einfachsten bedienbare Cameralink-Kamera, mit der ich bisher gearbeitet habe."

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