Shelyak eShel III to wydajny spektrograf typu Echelle trzeciej generacji, zaprojektowany specjalnie z myślą o wymagających programach obserwacji astronomicznych. Łączy on w sobie wysoką rozdzielczość spektralną z szerokim zakresem widmowym. Dzięki temu przyrząd ten jest odpowiedni dla astronomów-amatorów o zorientowaniu naukowym, uczelni wyższych, obserwatoriów oraz grup badawczych, które pragną przeprowadzać ilościową analizę widm gwiazd oraz badać zmiany w czasie obiektów astrofizycznych.
Dzięki rozdzielczości R = 10 000 w zakresie spektralnym od około 370 do 910 nanometrów eShel III obejmuje znaczną część bliskiego ultrafioletu, cały zakres widzialny oraz część bliskiej podczerwieni. Jednoczesne rejestrowanie licznych linii spektralnych w jednym ujęciu jest szczególnie interesujące w przypadku analizy atmosfer gwiazd, pomiaru prędkości radialnych, obserwacji gwiazd zmiennych, a także badania obiektów wykazujących linie emisyjne.
Zasada działania spektrometru typu Echelle: wysoka rozdzielczość przy szerokim zakresie spektralnym
Tradycyjne spektrografy siatkowe często borykają się z konstrukcyjnym konfliktem celów: przy danym rozmiarze czujnika wysoka rozdzielczość spektralna odbywa się kosztem zakresu długości fal, który można jednocześnie zarejestrować. Urządzenie eShel III rozwiązuje ten konflikt celów dzięki metodzie Echelle, w której siatka dyfrakcyjna działa w wysokich rzędach dyfrakcyjnych.
Światło obserwowanego obiektu jest wprowadzane do spektrografu za pośrednictwem światłowodu i kierowane na siatkę Echelle’a. Wysokie rzędy dyfrakcyjne powodują precyzyjny rozkład spektralny. Ponieważ poszczególne rzędy nakładają się na siebie w zakresie długości fal, system dyspersji krzyżowej dodatkowo oddziela je od siebie w przestrzeni. W przypadku eShel III zadanie to pełni pryzmat.
W rezultacie na matrycy kamery nie powstaje pojedynczy, ciągły pas spektralny, lecz dwuwymiarowe widmo typu Echelle złożone z licznych, sąsiadujących ze sobą rzędów spektralnych. Oprogramowanie analityczne wyodrębnia poszczególne rzędy, kalibruje je i łączy w widmo nadające się do wykorzystania naukowego.
Urządzenie eShel III wykorzystuje w szczególności porządki spektralne od 25 do 60. Pozwala to na pokrycie zakresu długości fal od około 370 do 910 nm.
Konstrukcja z połączeniem światłowodowym zapewniająca stabilne warunki pomiarowe
Istotną cechą konstrukcyjną urządzenia eShel III jest rozdzielenie systemu wprowadzania światła, umieszczonego na teleskopie, od samego spektrografu. Światło gwiazdowe jest przekazywane do spektrografu za pośrednictwem światłowodu o średnicy rdzenia wynoszącej 50 µm.
Taka konstrukcja zapewnia szereg korzyści:
- Stabilność termiczna: spektrograf można umieścić w pomieszczeniu o kontrolowanej temperaturze. Ogranicza to zmiany geometrii optycznej spowodowane czynnikami termicznymi i sprzyja powtarzalności pomiarów
- Lepsze warunki pomiarowe prędkości radialnych: bardziej stabilne otoczenie przyrządu ułatwia precyzyjne porównywanie kolejnych widm w czasie
- Elastyczna instalacja: teleskop i spektrograf nie muszą być zamontowane bezpośrednio obok siebie
- Wygodna obsługa: czułą optykę spektroskopową można eksploatować niezależnie od warunków mechanicznych i termicznych panujących w teleskopie.
Koncepcja ta opiera się na doświadczeniach producenta związanych z profesjonalnymi spektrografami sprzężonymi światłowodowo, takimi jak MUSICOS i Narval. Samo przesyłanie światłowodowe nie gwarantuje jednak określonej dokładności pomiaru prędkości radialnej: zależy ona dodatkowo od kalibrowania, stabilności skali długości fal, konfiguracji przyrządu oraz przetwarzania danych.
Układ optyczny i detektor
Moduł spektrografu eShel III wykorzystuje specjalnie opracowany układ optyczny typu Petzvala o ogniskowej 122 milimetrów i współczynniku apertury f/2,2. Ta optyka kamerowa odwzorowuje dwuwymiarowe widmo wytworzone przez układ Echelle na naukowym czujniku kamery. Konstrukcja została zaprojektowana tak, aby zapewnić jak najbardziej równomierne ogniskowanie stosowanych porządków spektralnych.
Do rejestracji widma firma Shelyak zaleca kamerę monochromatyczną z przetwornikiem Sony IMX571, na przykład model ZWO ASI2600MM Pro. Kamera ta nie wchodzi w skład zestawu spektrografu i należy ją nabyć oddzielnie.
Połączenie optyki typu Echelle z matrycą CMOS o dużej powierzchni umożliwia jednoczesną rejestrację wielu rzędów spektralnych.
Dwie wersje układu ogniskowania
W celu ustawienia ostrości podczas rejestracji widma spektrograf wyposażony jest w ręczny ogniskownik spiralny. Dostępna jest jednak również wersja z ogniskownikiem z napędem silnikowym firmy PrimaLuceLab, która umożliwia zdalne sterowanie ogniskowaniem.
Kalibrowanie i zasilanie światłem
Spektrum nadające się do wykorzystania naukowego wymaga niezawodnego kalibrowania linii spektralnych. Dlatego firma Shelyak oferuje moduł kalibrowy z lampą z katodą wydrążoną typu torowo-argonowego (ThAr). Można go nabyć jako akcesoria lub jako kompletny system wraz ze spektrografem.
Liczne znane linie emisyjne tych lamp służą jako punkt odniesienia dla przyporządkowania pozycji detektorów do długości fal.
Do systemu kalibracyjnego należy również lampa halogenowa, którą można wykorzystać do wykonywania zdjęć typu Flatfield. Zdjęcia te pomagają w korekcji rozkładu czułości oraz niejednorodności instrumentalnych.
Przepływ światła odbywa się za pośrednictwem dwóch światłowodów o długości 20 m każdy:
- Włókno obiektowe o średnicy rdzenia 50 µm: Przekazuje światło gwiazd zebrane przez teleskop do spektrografu.
- Światłowód kalibracyjny o średnicy rdzenia 200 µm: doprowadza światło z jednostki kalibracyjnej.
W teleskopie światłowód podłącza się za pomocą jednostki wtrysku i prowadzenia światłowodu FIGU F/6. Jednostka ta zapewnia precyzyjne wprowadzenie obiektu docelowego do światłowodu obiektowego o grubości zaledwie 50 µm oraz umożliwia śledzenie obiektu. Kompletna konfiguracja systemu obejmuje ponadto odpowiednie zasilanie wysokonapięciowe lampy kalibracyjnej, kable połączeniowe oraz adaptery.
Naukowe obszary zastosowań
- Gwiazdy typu Be i inne obiekty z liniami emisyjnymi: Badanie linii emisyjnych, w szczególności serii Balmera wodoru, pozwala na wyciąganie wniosków dotyczących materii okołogwiazdowej, ruchów gazu oraz zmian w otoczeniu gwiazd. System eShel III nadaje się do powtarzanych w czasie obserwacji gwiazd typu Be, a także gwiazd typu Wolf-Rayet, nowych oraz młodych obiektów gwiazdowych.
- Gwiazdy zmienne i spektroskopia z rozdzielczością czasową: Dzięki wielokrotnemu rejestrowaniu skalibrowanych widm można uchwycić zmiany profili i pozycji linii. Szczególnie interesujące są gwiazdy pulsujące, takie jak RR Lyrae, których widma dostarczają informacji o ruchach atmosferycznych i fazie pulsacji.
- Prędkości radialne i badania egzoplanet: Przesunięcia linii spektralnych względem odniesienia można wykorzystać do określenia prędkości radialnej gwiazdy. Dzięki temu, w odpowiednich warunkach pomiarowych, możliwe są badania spektroskopowe gwiazd podwójnych oraz wybranych programów dotyczących prędkości radialnych. Rzeczywista dokładność pomiaru zależy w znacznym stopniu od stabilności przyrządu, kalibrowania, stosunku sygnału do szumu oraz metody analizy.
- Spektra Słońca i gwiazd: Duża liczba jednocześnie rejestrowanych porządków spektralnych pozwala na badanie licznych linii absorpcyjnych. Dzięki temu, w odpowiednich warunkach analizy, można uzyskać informacje na temat temperatury, składu chemicznego oraz warunków fizycznych panujących w atmosferach gwiazd.
- Mgławice planetarne, asteroidy i ciała planetarne: W przypadku mgławic planetarnych na pierwszy plan wysuwają się linie emisyjne i ich stosunki intensywności. Natomiast spektroskopia asteroid i innych ciał układu słonecznego może dostarczyć wskazówek dotyczących właściwości powierzchni, odbitego światła słonecznego oraz cech klasyfikacji spektralnej.
Oprogramowanie i naukowa redukcja danych
Do obsługi i analizy danych Shelyak udostępnia oprogramowanie Demetra w wersji dostosowanej do systemu eShel. Oprogramowanie to wspiera cały proces, od kalibrowania po przetwarzanie danych spektralnych.
W przypadku spektrografów typu Echelle redukcja danych stanowi istotną część procedury pomiarowej: poszczególne porządki spektralne należy zidentyfikować, wyodrębnić, skalibrować pod względem długości fal oraz, w razie potrzeby, skorygować pod kątem czułości przyrządu. W celu przeprowadzenia dalszych analiz uzyskane widma można następnie wykorzystać na przykład do badania profili linii, szerokości ekwiwalentnych oraz przesunięć dopplerowskich.
Jako dodatkowe źródło informacji Shelyak podaje samouczek dotyczący analizy danych w oprogramowaniu ISIS. Dzięki temu, oprócz oprogramowania producenta, dostępne jest kolejne rozwiązanie do przetwarzania widm astronomicznych.
Shelyak eShel III stanowi wydajne rozwiązanie dla użytkowników, którzy pragną wyjść poza prostą klasyfikację spektralną i rejestrować spektra o powtarzalnych wynikach, nadające się do analizy ilościowej. Połączenie technologii Echelle, szerokiego zakresu długości fal, kabla światłowodowego oraz kalibrowania sprawia, że urządzenie to nadaje się szczególnie do wymagających programów obserwacyjnych w astrofizyce gwiazdowej.
Zakres dostawy kompletnego systemu
- Spektrograf eShel-III z optyką Petzvala o średnicy 122 mm oraz, do wyboru, ręcznym lub zmotoryzowanym mechanizmem ogniskującym
- Interfejs kamery dla modelu ZWO ASI2600MM Pro
- FIGU F/6 do podłączenia światłowodu i śledzenia
- Włókno obiektowe o średnicy rdzenia 50 µm i długości 20 m
- Włókno kalibracyjne o średnicy rdzenia 200 µm i długości 20 m
- Moduł kalibracyjny z lampą torowo-argonową i lampą halogenową
- Zasilacz wysokonapięciowy i odpowiednie kable
- Pierścień adaptacyjny M42-T
- Narzędzia do regulacji
- Dokumentacja instalacyjna i instrukcja obsługi.
Uwaga: Kamera nie wchodzi w skład zestawu.
