Universität zu Köln

Rost, Steffen (2008). LINC-NIRVANA Piston Control and Near-Infrared Polarization Images of the Orion Proplyds. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

This thesis is focussed on the development of optimized techniques to overcome limitations of astrophysical observations. The goal is an optimal signal estimation in noisy measurements by the consideration of underlying physical processes. This principle was applied to two different fields in astrophysics: intrumental design and analysis of polarimetric observations. In the observational part of this thesis near-infrared images of young stellar objects in the Orion constellation are studied. Limitations in resolution and sensitivity of current astronomical instruments prohibit the detailed analysis of interesting proto-stellar sources to improve theories of star formation. Radiation from the astronomical targets is not only characterized by its spectral energy, but also by polarization properties. The modeling of typical configurations of star-disk systems and the simulation of their polarization patterns helped to understand and interprete features, that were found in observations. For the case of a proto-stellar systems with both a disk and an envelope analysis techniques were developed, which are based on polarimetric effects of the scattering of light by dust. These techniques substantially improve the sensitivity and resolution and are reliable under different observing conditions. Although the obtained data did not allow investigations of substructures of the circumstellar material, the techniques are suitable to obtain constraints on star formation processes. With larger telescopes, such as the Large Binocular Telescope (LBT), the analysis of principles down to the scale of planet formation will be possible. LINC-NIRVANA, the near-infrared imaging system at the LBT, will provide unprecedented resolution and sensitivity performance combined with a wide field of view. The interferometric combination of light from two telescopes imposes new challenges in the instrument design. A so-called fringe tracker is mandatory for the interference of light at the detector by compensating optical path differences with an actuated mirror. The performance suffers from structural vibrations, limited sensitivity of sensors and processing latencies. The dynamics of actuators with significant amount of moving masses are limited. These effects are studied in the instrumental part of this thesis. Giant telescopes with large mirrors and high-resolution instruments are complex, expensive projects. The telescope time, i.e. the allocated time to the observations of individual astronomical topics, is very limited and hence valuable. It is of great importance to improve the performance in terms of sensitivity and resolution of observations under difficult conditions. By modeling all performance related subsystems of the interferometric instrument critical parameters were identified. For a realistic model several precision measurements of the telescope and parts of the LINC-NIRVANA instrument were necessary. Simulations of atmospheric effects completed the model. Several approaches for the optimization of the instrument performance were proposed. The determination of atmospheric and instrumental optical path difference or differential piston is improved by the detailed analysis of the statistical variation and appropriate filtering. The application of modern control theory provides stability and optimal dynamic response of the mirror actuator. Since both parts of this thesis deal with the impact of the atmosphere on the observational result of astronomical instruments, chapter 1 gives an overview on the basic principles and techniques. Chapter 2 presents the modeling and control analysis of the fringe tracker for the LINC-NIRVANA instrument. A software simulation is introduced and first results of a laboratory experiment are denoted. Chapter 3 gives a short introduction into star formation theories and unsolved problems, followed by the detailed description of polarimetric observations of proto-stellar objects in the Orion constellation in chapter 4. Some concepts and atmospheric effects as introduced in chapter 1 are discussed. Promising findings of one source of the sample led to extensive modeling and analysis of polarimetric properties of proto-stars and the development of innovative analysis techniques, presented in chapter 5. In the last chapter these methods are applied to the observational data and the obtained configuration parameters are compared to results of previous investigations in the literature.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language LINC-NIRVANA Gangunterschiedsregelung und Nahinfrarot-Polarisationsbilder proto-planetarer Scheiben im Orion German
Translated abstract:	Abstract Language Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung von optimierten Methoden, die die Einschränkungen astrophysikalischer Beobachtungen kompensieren können. Das Ziel ist die optimale Bestimmung von Signalen aus verrauschten Messungen unter der Berücksichtigung der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse. Dieses Prinzip wurde auf zwei Bereiche der Astrophysik angewendet: die Entwicklung eines astronomischen Instruments und die Analyse von polarimetrischen Beobachtungen. Nahinfrarot-Bilder von jungen Sternen im Orion werden im beobachtenden Teil dieser Arbeit untersucht. Die eingeschränkte Auflösung und Empfindlichkeit heutiger astronomischer Instrumente verhindern genauere Analysen von Proto-Sternen, die nötig wären, um ausstehende Fragen der Theorie der Sternentstehung beantworten zu können. Die Strahlung solcher Quellen ist dabei nicht nur durch ihre spektrale Energieverteilung charakterisiert, sondern auch durch ihre Polarisation. Das Modellieren typischer Stern-Scheiben-Systeme und das Simulieren ihrer Polarisationsmuster half bei der Interpretation von Merkmalen, die in Beobachtungen auftauchten. Für protostellare Systems, die sowohl eine Staubhülle, als auch eine protoplanetare Scheibe aufweisen, wurde eine Methode zur Analyse entwickelt, welche auf polarimetrischen Effekten der Streuung von Licht durch den umgebenden Staub beruht. Diese Methode verbessert erheblich die Empfindlichkeit und Auflösung und ist auch unter schwierigen Beobachtungsbedingungen verlässlich. Obwohl die verwendeten Daten keine Untersuchungen der Unterstruktur des den Stern umgebenden Materials zuließen, konnten mit dieser Technik Parameter der Sternentstehungsprozesse bestimmt werden. Mit größeren Teleskopen wie das Large Binocular Telescope (LBT) wird dann die Beobachtung kleiner Strukturen bis hinab zur Planetenentstehung möglich sein. LINC-NIRVANA ist das Nahinfrarot Kamerasystem am LBT und wird unerreichte Empfindlichkeit und Auflösung mit einem großen Blickfeld paaren, sobald es den Betrieb aufgenommen hat. Die interferometrische Zusammenführung des Lichts von zwei Teleskopen bedeutet eine Herausforderung bei der Konstruktion des Instruments. Für die kohärente Überlagerung ist ein so genannter "Fringe Tracker" zwingend notwendig, um Gangunterschiede mit einem bewegten Spiegel ausgleichen zu können. Die Regelgüte wird dabei beeinflusst von Vibrationen, begrenzter Empfindlichkeit der Sensoren und Verzögerungen bei der Verarbeitung der Signale. Eine erhebliche zu bewegende Masse begrenzt die Dynamik des Aktuators. Der instrumentelle Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit diesen Effekten. Grosse Teleskope und hochauflösende Instrumente sind komplexe und teure Projekte und die Zeit, die den verschiedenen astronomischen Gebieten zur Beobachtung zur Verfügung steht, ist limitiert. Es ist daher von großer Wichtigkeit, die Qualität der Beobachtungen auch unter schwierigen atmosphärischen Bedingungen zu optimieren. Durch das Modellieren aller relevanten Teile des interferometrischen Instruments konnten die kritischen Parameter identifiziert werden. Um ein möglichst realistisches Modell zu erhalten, mussten verschiedene Messungen am Teleskop und an Teilen des LINC-NIRVANA Instruments durchgeführt werden. Simulationen der Atmosphäre komplettierten das Modell. Verschiedene Ansätze zur Verbesserung der Leistung des Instruments wurden erarbeitet. Die Bestimmung des Gangunterschieds aufgrund von atmosphärischen und instrumentellen Effekten wurde durch eine eingehende Untersuchung der statistischen Verteilung und durch adäquates Filtern verbessert. Moderne Methoden der Regelungstechnik sorgen für Stabilität und ein optimiertes dynamisches Verhalten des Systems. Da sich beide Teile dieser Arbeit mit den Auswirkungen der Atmosphäre auf Beobachtungen mit astronomischen Instrumenten beschäftigen, liefert das erste Kapitel einen Überblick über die grundlegenden Prinzipien und Techniken. In Kapitel 2 wird das Modell und die Analyse der Regelung des Fringe Trackers für das LINC-NIRVANA Instrument vorgestellt. Eine Simulation in Software und erste Experimente im Labor werden beschrieben. Kapitel 3 umfasst eine kurze Einführung in die Theorien der Sternentstehung und zeigt noch ungelöste Fragen auf. Es folgt eine genaue Beschreibung der polarimetrischen Beobachtungen von Proto-Sternen des Orion in Kapitel 4. Einige Konzepte und atmosphärische Effekte werden diskutiert, die in Kapitel 1 eingeführt wurden. Viel versprechende Befunde einer der Quellen führten zur ausgiebigen Modellierung und Analyse der polarimetrischen Eigenschaften von Proto-Sternen und der Entwicklung neuartiger Analysetechniken. Diese werden in Kapitel 5 präsentiert. Im letzten Kapitel werden diese Methoden schließlich auf die Beobachtungsdaten angewendet und die Resultate mit vorigen Untersuchungen in der Literatur verglichen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Rost, Steffen rost@ph1.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-24746
Date:	2008
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics I
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Astrophysik , Teleskope , Orion , Sternentstehung German Astrophysics , Telescopes , Orion , Starformation English
Date of oral exam:	22 June 2008
Referee:	Name Academic Title Eckart, Andreas Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2474