Der Shelyak eShel III ist ein leistungsfähiger Echelle-Spektrograf der dritten Generation, der speziell für anspruchsvolle astronomische Beobachtungsprogramme entwickelt wurde. Er verbindet ein hohes spektrales Auflösungsvermögen mit einem breiten Spektralbereich. Damit eignet sich das Instrument für wissenschaftlich orientierte Amateurastronomen, Hochschulen, Observatorien und Forschungsgruppen, die Sternspektren quantitativ auswerten und zeitliche Veränderungen astrophysikalischer Objekte untersuchen möchten.
Mit einem Auflösungsvermögen von R = 10.000 im Spektralbereich von etwa 370 bis 910 Nanometer deckt der eShel III große Teile des nahen Ultravioletts, den gesamten sichtbaren Bereich und einen Teil des nahen Infrarots ab. Die gleichzeitige Erfassung zahlreicher Spektrallinien in einer einzigen Aufnahme ist besonders interessant für die Analyse von Sternatmosphären, die Messung von Radialgeschwindigkeiten, die Beobachtung veränderlicher Sterne sowie die Untersuchung von Objekten mit Emissionslinien.
Das Echelle-Prinzip: hohe Auflösung bei großem Spektralbereich
Herkömmliche Gitterspektrografen stehen häufig vor einem konstruktiven Zielkonflikt: Eine hohe spektrale Auflösung geht bei gegebener Sensorgröße zulasten des gleichzeitig erfassbaren Wellenlängenbereichs. Der eShel III löst diesen Zielkonflikt durch das Echelle-Verfahren, bei dem ein Beugungsgitter in hohen Beugungsordnungen arbeitet.
Das Licht des beobachteten Objekts wird über eine optische Faser in den Spektrografen eingekoppelt und auf das Echelle-Gitter geleitet. Die hohen Beugungsordnungen erzeugen eine feine spektrale Aufspaltung. Da sich die einzelnen Ordnungen in ihren Wellenlängenbereichen überlappen, trennt ein Kreuzdispersionssystem die Ordnungen zusätzlich räumlich voneinander. Beim eShel III übernimmt ein Prisma diese Aufgabe.
Auf dem Kamerasensor entsteht dadurch kein einzelner, durchgehender Spektralstreifen, sondern ein zweidimensionales Echelle-Spektrum aus zahlreichen nebeneinanderliegenden Spektralordnungen. Die Auswertesoftware extrahiert die einzelnen Ordnungen, kalibriert sie und setzt sie zu einem wissenschaftlich nutzbaren Spektrum zusammen.
Der eShel III nutzt insbesondere die Spektralordnungen 25 bis 60. Dadurch lässt sich ein Wellenlängenbereich von ungefähr 370 bis 910 nm abdecken.
Fasergekoppelter Aufbau für stabile Messbedingungen
Ein wesentliches Konstruktionsmerkmal des eShel III ist die Trennung zwischen dem am Teleskop befindlichen Lichteinkoppelsystem und dem eigentlichen Spektrografen. Das Sternlicht wird über eine optische Faser mit einem Kerndurchmesser von 50 µm zum Spektrografen übertragen.
Dieser Aufbau bietet mehrere Vorteile:
- Thermische Stabilität: Der Spektrograf kann in einem temperaturkontrollierten Raum untergebracht werden. Das reduziert thermisch bedingte Veränderungen der optischen Geometrie und unterstützt reproduzierbare Messungen
- Verbesserte Messbedingungen für Radialgeschwindigkeiten: Eine stabilere Instrumentenumgebung erleichtert die präzise Vergleichbarkeit zeitlich aufeinanderfolgender Spektren
- Flexible Installation: Das Teleskop und der Spektrograf müssen nicht unmittelbar nebeneinander montiert sein
- Komfortabler Betrieb: Die empfindliche Spektroskopieoptik lässt sich unabhängig von den mechanischen und thermischen Bedingungen am Teleskop betreiben.
Das Konzept geht auf Erfahrungen des Herstellers mit professionellen fasergekoppelten Spektrografen wie MUSICOS und Narval zurück. Die Faserübertragung allein garantiert allerdings keine bestimmte Radialgeschwindigkeitsgenauigkeit: Diese hängt zusätzlich von der Kalibrierung, der Stabilität der Wellenlängenskala, der Instrumentenkonfiguration und der Datenreduktion ab.
Optisches System und Detektor
Das Spektrografenmodul des eShel III verwendet ein speziell entwickeltes Petzval-Optiksystem mit einer Brennweite von 122 Millimeter und einem Öffnungsverhältnis von f/2,2. Diese Kameraoptik bildet das vom Echelle-System erzeugte zweidimensionale Spektrum auf dem wissenschaftlichen Kamerasensor ab. Die Konstruktion ist auf eine möglichst gleichmäßige Fokussierung der verwendeten Spektralordnungen ausgelegt.
Für die spektrale Aufnahme empfiehlt Shelyak eine monochrome Kamera mit Sony IMX571-Sensor, beispielsweise die ZWO ASI2600MM Pro. Die Kamera gehört nicht zum Lieferumfang des Spektrografen und muss separat erworben werden.
Die Kombination aus Echelle-Optik und großflächigem CMOS-Sensor ermöglicht die gleichzeitige Erfassung zahlreicher Spektralordnungen.
Zwei Versionen für die Fokussierung
Für die Fokussierung der Spektralaufnahme ist der Spektrograf mit einem manuellen Helikal-Fokussierer ausgestattet. Es steht aber auch eine Variante mit motorisiertem Fokussierer von PrimaLuceLab zur Verfügung, die eine ferngesteuerte Fokussierung erlaubt.
Kalibrierung und Lichteinspeisung
Ein wissenschaftlich verwertbares Spektrum setzt eine zuverlässige Kalibrierung der Spektrallinien voraus. Deshalb bietet Shelyak eine Kalibriereinheit mit einer Thorium-Argon-Hohlkathodenlampe (ThAr) an. Diese kann als Zubehör ode rim Komplettsystem gleich mit dem Spektrografen erworben werden.
Die zahlreichen bekannten Emissionslinien dieser Lampe dienen als Referenz für die Zuordnung von Detektorpositionen zu Wellenlängen.
Zum Kalibriersystem gehört außerdem eine Halogenlampe, die für Flatfield-Aufnahmen eingesetzt werden kann. Solche Aufnahmen unterstützen die Korrektur der Empfindlichkeitsverteilung und instrumenteller Inhomogenitäten.
Die Lichtzuführung erfolgt über zwei optische Fasern mit einer Länge von jeweils 20 m:
- Objektfaser mit 50 µm Kerndurchmesser: Überträgt das vom Teleskop gesammelte Sternlicht zum Spektrografen.
- Kalibrierfaser mit 200 µm Kerndurchmesser: Führt das Licht der Kalibriereinheit zu.
Am Teleskop wird die Faser über die Faser-Injektions- und Guidingeinheit FIGU F/6 angeschlossen. Diese Einheit unterstützt die präzise Einkopplung des Zielobjekts in die nur 50 µm dünne Objektfaser und ermöglicht die Nachführung des Objekts. Die komplette Systemkonfiguration im Komplettsystem umfasst außerdem die zugehörige Hochspannungsversorgung der Kalibrierlampe, Anschlusskabel und Adapter.
Wissenschaftliche Einsatzgebiete
- Be-Sterne und andere Emissionslinienobjekte Die Untersuchung von Emissionslinien, insbesondere der Balmer-Serie des Wasserstoffs, erlaubt Rückschlüsse auf zirkumstellare Materie, Gasbewegungen und Veränderungen von Sternumgebungen. Der eShel III eignet sich für zeitlich wiederholte Beobachtungen von Be-Sternen sowie von Wolf-Rayet-Sternen, Novae und jungen stellaren Objekten.
- Veränderliche Sterne und zeitaufgelöste Spektroskopie: Durch die wiederholte Aufnahme kalibrierter Spektren lassen sich Veränderungen von Linienprofilen und Linienpositionen erfassen. Besonders interessant sind pulsierende Sterne wie RR Lyrae, deren Spektren Informationen über atmosphärische Bewegungen und die Pulsationsphase liefern.
- Radialgeschwindigkeiten und Exoplanetenforschung: Verschiebungen spektraler Linien gegenüber einer Referenz können zur Bestimmung der Radialgeschwindigkeit eines Sterns genutzt werden. Damit sind unter geeigneten Messbedingungen Untersuchungen spektroskopischer Doppelsterne und ausgewählter Radialgeschwindigkeitsprogramme möglich. Die tatsächliche Messgenauigkeit hängt wesentlich von der Instrumentenstabilität, der Kalibrierung, dem Signal-Rausch-Verhältnis und der Auswertungsmethode ab.
- Sonnen- und Sternspektren: Die große Zahl gleichzeitig erfasster Spektralordnungen erlaubt die Untersuchung zahlreicher Absorptionslinien. Daraus lassen sich unter geeigneten Auswertebedingungen Informationen über Temperatur, chemische Zusammensetzung und physikalische Bedingungen in Sternatmosphären gewinnen.
- Planetarische Nebel, Asteroiden und Planetenkörper: Bei planetarischen Nebeln stehen Emissionslinien und deren Intensitätsverhältnisse im Vordergrund. Die Spektroskopie von Asteroiden und anderen Körpern des Sonnensystems kann dagegen Hinweise auf Oberflächeneigenschaften, reflektiertes Sonnenlicht und spektrale Klassifikationsmerkmale liefern.
Software und wissenschaftliche Datenreduktion
Für den Betrieb und die Auswertung stellt Shelyak die Software Demetra in einer auf den eShel abgestimmten Version zur Verfügung. Sie unterstützt den Workflow von der Kalibrierung bis zur Verarbeitung der Spektraldaten.
Bei Echelle-Spektrografen ist die Datenreduktion ein wesentlicher Teil des Messverfahrens: Die einzelnen Spektralordnungen müssen identifiziert, extrahiert, wellenlängenkalibriert und gegebenenfalls hinsichtlich instrumenteller Empfindlichkeit korrigiert werden. Für weiterführende Analysen lassen sich die gewonnenen Spektren anschließend beispielsweise zur Untersuchung von Linienprofilen, Äquivalentbreiten und Dopplerverschiebungen verwenden.
Als zusätzliche Referenz nennt Shelyak ein Auswertungstutorial für die Software ISIS. Damit steht neben der herstellereigenen Software ein weiterer Ansatz für die Verarbeitung astronomischer Spektren zur Verfügung.
Der Shelyak eShel III ist eine leistungsfähige Lösung für Anwender, die über einfache Spektralklassifikation hinausgehen und reproduzierbare, quantitativ auswertbare Spektren aufnehmen möchten. Seine Kombination aus Echelle-Technik, großem Wellenlängenbereich, Glasfaserkabel und Kalibrierung eignet sich besonders für anspruchsvolle Beobachtungsprogramme in der stellaren Astrophysik.
