Shelyak eShel III är en kraftfull Echelle-spektrograf av tredje generationen, som har utvecklats speciellt för krävande astronomiska observationsprogram. Den kombinerar hög spektral upplösning med ett brett spektralområde. Därmed lämpar sig instrumentet för vetenskapligt inriktade amatörastronomer, högskolor, observatorier och forskningsgrupper som vill utvärdera stjärnspektra kvantitativt och undersöka tidsmässiga förändringar hos astrofysiska objekt.
Med en upplösningsförmåga på R = 10 000 i spektralområdet från cirka 370 till 910 nanometer täcker eShel III stora delar av det nära ultravioletta spektrumet, hela det synliga spektrumet och en del av det nära infraröda spektrumet. Den samtidiga registreringen av ett stort antal spektrallinjer i en enda exponering är särskilt intressant för analys av stjärnatmosfärer, mätning av radiella hastigheter, observation av variabla stjärnor samt undersökning av objekt med emissionslinjer.
Echelle-principen: hög upplösning vid stort spektralområde
Konventionella gitterspektrografer står ofta inför en konstruktionsmässig målkollision: vid en given sensorstorlek går hög spektral upplösning ut över det våglängdsområde som kan registreras samtidigt. eShel III löser denna målkollision genom Echelle-metoden, där ett diffraktionsgitter arbetar i höga diffraktionsordningar.
Ljuset från det observerade objektet kopplas in i spektrografen via en optisk fiber och leds till Echelle-gitteret. De höga diffraktionsordningarna ger en fin spektral uppdelning. Eftersom de enskilda ordningarnas våglängdsområden överlappar varandra separerar ett korsdispersionssystem ordningarna ytterligare rumsligt från varandra. I eShel III sköter ett prisma denna uppgift.
På kamerasensorn uppstår därmed inte en enda, sammanhängande spektralremsa, utan ett tvådimensionellt Echelle-spektrum bestående av ett stort antal spektralordningar som ligger bredvid varandra. Utvärderingsprogramvaran extraherar de enskilda ordningarna, kalibrerar dem och sammanställer dem till ett vetenskapligt användbart spektrum.
eShel III utnyttjar särskilt spektralordningarna 25 till 60. Därmed kan ett våglängdsområde på ungefär 370 till 910 nm täckas.
Fiberkopplad konstruktion för stabila mätförhållanden
Ett väsentligt konstruktionsdrag hos eShel III är separationen mellan ljusinkopplingssystemet, som är placerat på teleskopet, och själva spektrografen. Stjärnljuset överförs till spektrografen via en optisk fiber med en kärndiameter på 50 µm.
Denna konstruktion erbjuder flera fördelar:
- Termisk stabilitet: Spektrografen kan placeras i ett temperaturreglerat rum. Detta minskar temperaturrelaterade förändringar av den optiska geometrin och bidrar till reproducerbara mätningar
- Förbättrade mätförhållanden för radiella hastigheter: En stabilare instrumentmiljö underlättar en exakt jämförbarhet mellan spektra som mäts i tidsmässig följd
- Flexibel installation: Teleskopet och spektrografen behöver inte monteras direkt intill varandra
- Bekväm drift: Den känsliga spektroskopioptiken kan drivas oberoende av de mekaniska och termiska förhållandena vid teleskopet.
Konceptet bygger på tillverkarens erfarenheter av professionella fiberkopplade spektrografer som MUSICOS och Narval. Fiberöverföringen i sig garanterar dock inte någon specifik noggrannhet för radialhastigheten: denna beror dessutom på kalibreringen, våglängdsskalans stabilitet, instrumentkonfigurationen och datareduceringen.
Optiskt system och detektor
Spektrografmodulen i eShel III använder ett specialutvecklat Petzval-optiksystem med en brännvidd på 122 millimeter och ett bländarförhållande på f/2,2. Denna kameraoptik avbildar det tvådimensionella spektrum som genereras av Echelle-systemet på den vetenskapliga kamerasensorn. Konstruktionen är utformad för att fokuseringen av de använda spektralordningarna ska bli så jämn som möjligt.
För spektralbildtagning rekommenderar Shelyak en monokrom kamera med Sony IMX571-sensor, till exempel ZWO ASI2600MM Pro. Kameran ingår inte i spektrografens leverans och måste köpas separat.
Kombinationen av Echelle-optik och en CMOS-sensor med stor yta möjliggör samtidig registrering av ett stort antal spektralordningar.
Två versioner för fokusering
För fokusering av spektralbilden är spektrografen utrustad med en manuell spiralformad fokuserare. Det finns dock även en variant med motoriserad fokuserare från PrimaLuceLab, som möjliggör fjärrstyrd fokusering.
Kalibrering och ljusmatning
Ett vetenskapligt användbart spektrum förutsätter en tillförlitlig kalibrering av spektrallinjerna. Därför erbjuder Shelyak en kalibreringsenhet med en thorium-argon-hålkatodlampa (ThAr). Denna kan köpas som tillbehör eller som ett komplett system tillsammans med spektrografen.
De många kända emissionslinjerna från dessa lampor fungerar som referens för att koppla detektorpositioner till våglängder.
I kalibreringssystemet ingår dessutom en halogenlampa som kan användas för Flatfield-bilder. Sådana bilder underlättar korrigeringen av känslighetsfördelningen och instrumentella ojämnheter.
Ljuset leds in via två optiska fibrer med en längd på 20 m vardera:
- Objektfiber med en kärndiameter på 50 µm: Överför det stjärnljus som samlas in av teleskopet till spektrografen.
- Kalibreringsfiber med en kärndiameter på 200 µm: Leder ljuset från kalibreringsenheten.
Vid teleskopet ansluts fibern via fiberinjektions- och styrningsenheten FIGU F/6. Denna enhet underlättar en precis inkoppling av målobjektet i den endast 50 µm tunna objektfibern och möjliggör spårning av objektet. Den fullständiga systemkonfigurationen i det kompletta systemet omfattar dessutom den tillhörande högspänningsförsörjningen till kalibreringslampan, anslutningskablar och adaptrar.
Vetenskapliga tillämpningsområden
- Be-stjärnor och andra objekt med emissionslinjer Undersökningen av emissionslinjer, särskilt vätets Balmer-serie, möjliggör slutsatser om cirkumstellär materia, gasrörelser och förändringar i stjärnornas omgivningar. eShel III lämpar sig för återkommande observationer av Be-stjärnor samt Wolf-Rayet-stjärnor, novor och unga stjärnobjekt.
- Variabla stjärnor och tidsupplöst spektroskopi: Genom upprepade mätningar av kalibrerade spektra kan förändringar i linjeprofiler och linjepositioner registreras. Särskilt intressanta är pulserande stjärnor som RR Lyrae, vars spektra ger information om atmosfäriska rörelser och pulsationsfasen.
- Radialhastigheter och exoplanetforskning: Förskjutningar av spektrallinjer i förhållande till en referens kan användas för att bestämma en stjärnas radialhastighet. Under lämpliga mätförhållanden möjliggör detta undersökningar av spektroskopiska dubbelstjärnor och utvalda radialhastighetsprogram. Den faktiska mätnoggrannheten beror i hög grad på instrumentets stabilitet, kalibreringen, signal-brusförhållandet och utvärderingsmetoden.
- Sol- och stjärnspektra: Det stora antalet spektrala ordningar som registreras samtidigt möjliggör undersökning av ett stort antal absorptionslinjer. Under lämpliga utvärderingsförhållanden kan man därifrån utvinna information om temperatur, kemisk sammansättning och fysikaliska förhållanden i stjärnornas atmosfärer.
- Planetariska nebulosor, asteroider och planetariska kroppar: När det gäller planetariska nebulosor står emissionslinjer och deras intensitetsförhållanden i fokus. Spektroskopi av asteroider och andra kroppar i solsystemet kan däremot ge ledtrådar om ytegenskaper, reflekterat solljus och spektrala klassificeringsegenskaper.
Programvara och vetenskaplig datareduktion
För drift och utvärdering tillhandahåller Shelyak programvaran Demetra i en version anpassad för eShel. Den stöder arbetsflödet från kalibrering till bearbetning av spektraldata.
Vid användning av Echelle-spektrografer är datareduceringen en väsentlig del av mätprocessen: de enskilda spektralordningarna måste identifieras, extraheras, våglängdskalibreras och vid behov korrigeras med avseende på instrumentets känslighet. För vidare analyser kan de erhållna spektren därefter användas till exempel för att undersöka linjeprofiler, ekvivalentbredder och dopplerskift.
Som ytterligare referens nämner Shelyak en handledning för utvärdering av programvaran ISIS. Detta innebär att det, utöver tillverkarens egen programvara, finns ytterligare ett alternativ för bearbetning av astronomiska spektra.
Shelyak eShel III är en kraftfull lösning för användare som vill gå längre än enkel spektralklassificering och registrera reproducerbara, kvantitativt utvärderbara spektra. Kombinationen av Echelle-teknik, stort våglängdsområde, glasfiberkabel och kalibrering gör den särskilt lämplig för krävande observationsprogram inom stjärnastrofysik.
Leveransomfattning för kompletsystemet
- eShel-III-spektrograf med 122 mm Petzval-optik och valfri manuell eller motoriserad fokuserare
- Kameragränssnitt för ZWO ASI2600MM Pro
- FIGU F/6 för fiberinjektion och spårning
- Objektfiber med 50 µm kärndiameter och 20 m längd
- Kalibreringsfiber med 200 µm kärndiameter och 20 m längd
- Kalibreringsmodul med thorium-argonlampa och halogenlampa
- Högspänningsförsörjning och tillhörande kablar
- M42-T-adapterring
- Verktyg för justering
- Installations- och bruksanvisning.
Observera: Kamera ingår inte i leveransen.
