De Shelyak eShel III is een krachtige Echelle-spectrograaf van de derde generatie, die speciaal is ontwikkeld voor veeleisende astronomische observatieprogramma’s. Het apparaat combineert een hoge spectrale resolutie met een breed spectraal bereik. Hierdoor is het instrument geschikt voor wetenschappelijk georiënteerde amateurastronomen, universiteiten, observatoria en onderzoeksgroepen die sterrenspectra kwantitatief willen analyseren en veranderingen in de tijd van astrofysische objecten willen onderzoeken.
Met een resolutie van R = 10.000 in het spectrale bereik van ongeveer 370 tot 910 nanometer bestrijkt de eShel III grote delen van het nabije ultraviolet, het gehele zichtbare spectrum en een deel van het nabije infrarood. Het gelijktijdig vastleggen van talrijke spectraallijnen in één enkele opname is bijzonder interessant voor de analyse van sterrenatmosferen, het meten van radiale snelheden, de observatie van variabele sterren en het onderzoek naar objecten met emissielijnen.
Het Echelle-principe: hoge resolutie bij een groot spectraal bereik
Traditionele roosterspectrografen kampen vaak met een constructief doelconflict: bij een gegeven sensorgrootte gaat een hoge spectrale resolutie ten koste van het gelijktijdig registreerbare golflengtebereik. De eShel III lost dit doelconflict op door middel van de Echelle-methode, waarbij een diffractierooster in hoge diffractieordes werkt.
Het licht van het waargenomen object wordt via een optische vezel in de spectrograaf ingekoppeld en naar het Echelle-rooster geleid. De hoge diffractieordes zorgen voor een fijne spectrale opsplitsing. Aangezien de afzonderlijke ordes elkaar in hun golflengtebereiken overlappen, scheidt een kruisdispersiesysteem de ordes bovendien ruimtelijk van elkaar. Bij de eShel III neemt een prisma deze taak op zich.
Op de camerasensor ontstaat daardoor geen enkele, doorlopende spectrale strook, maar een tweedimensionaal Echelle-spectrum bestaande uit talrijke naast elkaar liggende spectrale ordes. De analyse-software extraheert de afzonderlijke ordes, kalibreert deze en voegt ze samen tot een wetenschappelijk bruikbaar spectrum.
De eShel III maakt met name gebruik van de spectrale orden 25 tot en met 60. Hierdoor kan een golflengtebereik van ongeveer 370 tot 910 nm worden bestreken.
Vezelgekoppelde opbouw voor stabiele meetomstandigheden
Een essentieel constructiekenmerk van de eShel III is de scheiding tussen het lichtinvoersysteem op de telescoop en de eigenlijke spectrograaf. Het sterrenlicht wordt via een optische vezel met een kerndiameter van 50 µm naar de spectrograaf overgebracht.
Deze opbouw biedt verschillende voordelen:
- Thermische stabiliteit: de spectrograaf kan in een temperatuurgecontroleerde ruimte worden ondergebracht. Dit vermindert door temperatuur veroorzaakte veranderingen in de optische geometrie en draagt bij aan reproduceerbare metingen
- Verbeterde meetomstandigheden voor radiale snelheden: een stabielere instrumentomgeving vergemakkelijkt de nauwkeurige vergelijkbaarheid van opeenvolgende spectra
- Flexibele installatie: de telescoop en de spectrograaf hoeven niet direct naast elkaar te worden gemonteerd
- Gebruiksgemak: De gevoelige spectroscopische optiek kan onafhankelijk van de mechanische en thermische omstandigheden bij de telescoop worden gebruikt.
Het concept is gebaseerd op de ervaringen van de fabrikant met professionele, vezelgekoppelde spectrografen zoals MUSICOS en Narval. De vezeloverdracht alleen garandeert echter geen specifieke nauwkeurigheid van de radiale snelheid: deze hangt bovendien af van de calibratie, de stabiliteit van de golflengteschaal, de instrumentconfiguratie en de gegevensreductie.
Optisch systeem en detector
De spectrograafmodule van de eShel III maakt gebruik van een speciaal ontwikkeld Petzval-optisch systeem met een brandpuntsafstand van 122 millimeter en een diafragma van f/2,2. Deze camera-optiek brengt het door het Echelle-systeem gegenereerde tweedimensionale spectrum in beeld op de wetenschappelijke camerasensor. Het ontwerp is gericht op een zo gelijkmatig mogelijke scherpstelling van de gebruikte spectrale ordes.
Voor de spectrale opname adviseert Shelyak een monochrome camera met een Sony IMX571-sensor, bijvoorbeeld de ZWO ASI2600MM Pro. De camera wordt niet meegeleverd bij de spectrograaf en dient afzonderlijk te worden aangeschaft.
De combinatie van Echelle-optiek en een CMOS-sensor met groot oppervlak maakt het mogelijk om talrijke spectrale ordes tegelijkertijd vast te leggen.
Twee versies voor de scherpstelling
Voor het scherpstellen van de spectrale opname is de spectrograaf uitgerust met een handmatige spiraalvormige scherpsteller. Er is echter ook een variant met een gemotoriseerde scherpsteller van PrimaLuceLab beschikbaar, die scherpstelling op afstand mogelijk maakt.
Calibratie en lichttoevoer
Een wetenschappelijk bruikbaar spectrum vereist een betrouwbare calibratie van de spectraallijnen. Daarom biedt Shelyak een calibratie-eenheid aan met een thorium-argon-holkathodelamp (ThAr). Deze kan als accessoires of als compleet systeem direct samen met de spectrograaf worden aangeschaft.
De talrijke bekende emissielijnen van deze lamp dienen als referentie voor het toewijzen van detectorposities aan golflengten.
Tot het kalibratiesysteem behoort bovendien een halogeenlamp, die kan worden gebruikt voor Flatfield-opnames. Dergelijke opnames ondersteunen de correctie van de gevoeligheidsverdeling en instrumentele inhomogeniteiten.
De lichttoevoer vindt plaats via twee optische vezels met een lengte van elk 20 m:
- Objectvezel met een kerndiameter van 50 µm: brengt het door de telescoop opgevangen sterrenlicht over naar de spectrograaf.
- Kalibratievezel met een kerndiameter van 200 µm: voert het licht van de kalibratie-eenheid aan.
Bij de telescoop wordt de vezel aangesloten via de vezelinjectie- en geleidingseenheid FIGU F/6. Deze eenheid ondersteunt de nauwkeurige koppeling van het doelobject aan de slechts 50 µm dunne objectvezel en maakt het volgen van het object mogelijk. De volledige systeemconfiguratie in het complete systeem omvat bovendien de bijbehorende hoogspanningsvoeding voor de kalibratielamp, aansluitkabels en adapters.
Wetenschappelijke toepassingsgebieden
- Be-sterren en andere objecten met emissielijnen Het onderzoek naar emissielijnen, met name de Balmer-reeks van waterstof, maakt het mogelijk conclusies te trekken over circumstellaire materie, gasbewegingen en veranderingen in de omgeving van sterren. De eShel III is geschikt voor herhaalde observaties van Be-sterren, evenals van Wolf-Rayet-sterren, nova’s en jonge stellaire objecten.
- Variabele sterren en tijdgeresolveerde spectroscopie: Door herhaaldelijk gekalibreerde spectra op te nemen, kunnen veranderingen in lijnprofielen en lijnposities worden vastgelegd. Bijzonder interessant zijn pulserende sterren zoals RR Lyrae, waarvan de spectra informatie verschaffen over atmosferische bewegingen en de pulsatiefase.
- Radiale snelheden en onderzoek naar exoplaneten: Verschuivingen van spectrale lijnen ten opzichte van een referentie kunnen worden gebruikt om de radiale snelheid van een ster te bepalen. Hierdoor zijn, onder geschikte meetomstandigheden, onderzoeken naar spectroscopische dubbelsterren en geselecteerde radiale-snelheidsprogramma’s mogelijk. De daadwerkelijke meetnauwkeurigheid hangt in belangrijke mate af van de stabiliteit van het instrument, de calibratie, de signaal-ruisverhouding en de evaluatiemethode.
- Zon- en sterrenspectra: Het grote aantal gelijktijdig geregistreerde spectrale orden maakt het onderzoek naar talrijke absorptielijnen mogelijk. Hieruit kan, onder geschikte analyseomstandigheden, informatie worden verkregen over de temperatuur, de chemische samenstelling en de fysische omstandigheden in sterrenatmosferen.
- Planetaire nevels, asteroïden en planetaire lichamen: Bij planetaire nevels staan emissielijnen en de verhoudingen in hun intensiteit centraal. De spectroscopie van asteroïden en andere lichamen in het zonnestelsel kan daarentegen aanwijzingen opleveren over oppervlakte-eigenschappen, gereflecteerd zonlicht en spectrale classificatiekenmerken.
Software en wetenschappelijke gegevensverwerking
Voor de bediening en de analyse stelt Shelyak de software Demetra ter beschikking in een versie die is afgestemd op de eShel. Deze ondersteunt de workflow van de calibratie tot en met de verwerking van de spectrale gegevens.
Bij Echelle-spectrografen vormt de gegevensreductie een essentieel onderdeel van het meetproces: de afzonderlijke spectrale ordes moeten worden geïdentificeerd, geëxtraheerd, op golflengte gekalibreerd en, indien nodig, gecorrigeerd voor instrumentele gevoeligheid. Voor verdere analyses kunnen de verkregen spectra vervolgens bijvoorbeeld worden gebruikt voor het onderzoek van lijnprofielen, equivalente breedtes en Doppler-verschuivingen.
Als aanvullende referentie noemt Shelyak een evaluatietutorial voor de ISIS-software. Hiermee is er naast de eigen software van de fabrikant een extra methode beschikbaar voor de verwerking van astronomische spectra.
De Shelyak eShel III is een krachtige oplossing voor gebruikers die verder willen gaan dan eenvoudige spectrale classificatie en reproduceerbare, kwantitatief analyseerbare spectra willen registreren. De combinatie van Echelle-techniek, een groot golflengtebereik, glasvezelkabels en calibratie maakt dit instrument bijzonder geschikt voor veeleisende observatieprogramma’s in de stellaire astrofysica.
