OES - Ondřejovský ešeletový spektrograf

V souvislosti se snahou maximálně využít možností, které nám dává ondřejovský dvoumetrový dalekohled, rozhodli jsme se postavit nový moderní ešeletový spektrograf, který by měl poskytovat výsledky na špičkové světové úrovni (pojem "ešeletový" vysvětlím později).

Vzhledem k tomu, že se jedná o první přístroj tohoto typu u nás, domnívám se, že bude snad zajímavé budovaný přístroj představit širší astronomické veřejnosti.

Spektrografy

Dříve však než přistoupíme k podrobnějšímu představení budoucího přístroje, pokusíme alespoň ve stručnosti připomenout, jak fungují standardní spektrografy: bude tím zřejmější, jak fungují ty ešeletové (a co to vlastně je), mezi něž bude patřit i ondřejovský přístroj.

Standardní spektrografy

Princip činnosti spektrografu je ve své podstatě nesmírně jednoduchý: paprsek světla se na nějakém optickém členu (jímž může být buď hranol nebo mřížka) rozloží do spektra, které se pak promítne na záznamové médium. Tím bývá v poslední době prakticky již bez výjimky pouze CCD čip. Kromě těchto dvou prvků bývá součástí spektrografu ještě štěrbina a kolimátor.

Štěrbina se (je-li přítomna) klade do ohniska dalekohledu před vlastní těleso spektrografu, aby se dosáhlo ostrého obrazu spektra. Platí přitom úměra, že rozlišovací schopnost spektrografu je tím lepší, čím je štěrbina užší. Na úzké štěrbině se však zase ztrácí příliš velká část světla a snižuje se tedy účinnost přístroje. Je proto třeba hledat určitý kompromis.

Kolimátor, posazený mezi štěrbinu a mřížku (resp. někdy hranol, ale většina přístrojů mívá mřížku) pak z rozbíhavého svazku -- jsme již za ohniskem dalekohledu -- vytvoří rovnoběžný svazek dopadající teprv na mřížku.

Výsledný spektrograf pak je zkonstruován například tak, jak je zobrazeno na následujícím obrázku (konkretizujme: zjednodušené schéma odpovídá spektrografu umístěnému v coudé ohnisku dvoumetrového dalekohledu):

Schéma standardního spektrografu (Ondřejov, coudé spektrograf)

Tímto způsobem se na CCD čip zobrazí jeden spektrální řád. Konstrukce ondřejovského coudé spektrografu umožňuje zobrazit naráz úsek spektra v rozsahu asi 40nm (tato hodnota se mírně liší podle toho, zda pracujeme v modré nebo červené oblasti spektra).

Spektrum se pak na čip promítá zpravidla takto:

Schematické promítnutí spektra na CCD čip; čip znázorněn šedým obdélníkem.

Výsledné spektrum pak po příslušném zpracování (podrobnosti o tzv. redukcích dat mohou být námětem některého dalšího článku) může vypadat například takto:

Spektrum proměnné hvězdy P Cygni
Standard hvězdy s výrazným hvězdným větrem

Ešelety

Ešeletový spektrograf funguje poněkud odlišným způsobem. Stručně jej lze charakterizovat asi takto: ešeletový spektrograf vykreslí naráz velké množství spektrálních řádů. Každý řád zahrnuje jen krátký úsek vlnových délek, ale protože se jednotlivé řády částečně "překrývají", lze je poskládat (angl. termín "merging") dohromady a získat naráz velmi rozsáhlý úsek spektra. To vše při stejném nebo dokonce lepším rozlišení, než jakého dosáhneme ve standardním spektrografu popsaném výše.

Jak se dá takového zobrazení dosáhnout? Na prvním disperzním členu (bývá jím zpravidla mřížka) se vytváří ten popsaný obraz mnoha spektrálních řádů. Ty se však vzájemně překrývají, "leží jeden na druhém". Proto se tento složený obraz promítá na další disperzní člen (buď opět mřížka nebo hranol), postavený kolmo k prvnímu. Tento druhý člen již tedy nezasahuje do zobrazování vlnových délek, zato však od sebe oddělí jednotlivé obrazy řádů a promítne je "nad sebe"; anglicky se tento optický prvek nazývá "crossdisperser", český termín dosud neexistuje, budeme tedy v dalším textu používat uměle počeštěný termín "krosdisperzer" -- všem jazykovým puristům se tímto omlouvám.

Lze tedy činnost ešeletového spektrografu vyjádřit následujícím schématem:

Schéma činnosti ešeletového spektrografu

OES - Ondřejovský ešeletový spektrograf

Naše zkušenosti s ešeletem - HEROS

Rozhodnutí postavit spektrograf ešeletového typu jsme neudělali bez předchozí zkušenosti. Od roku 2000 až dosud máme u dvoumetrového dalekohledu k dispozici spektrograf HEROS (Heidelberg Extended Range Optical Spectrograph) zapůjčený z Německa (Landessternwarte Königstuhl).

HEROS je vláknový spektrograf, to znamená, že světlo se z ohniska dalekohledu přivádí optickým vláknem dlouhým 10m; ústí vlákna funguje jako bodový zdroj světla, proto není v tomto případě použita štěrbina. V Ondřejově je přístroj z optických důvodů připojen ke Cassegrainově ohnisku. Mimochodem, vzhledem k nedostatečné délce vlákna je operační pole dalekohledu významně omezeno, takže podstatné části severní oblohy a oblasti nad východním a západním horizontem jsou nedostupné.

HEROS je dvoukamerový spektrograf: světelný svazek je rozdělen polopropustným optickým členem do dvou svazků v odlišném rozsahu vlnových délek ("modrý" a "červený"), které pak postupují dvěma nezávislými optickými cestami a zobrazují se na dva nezávislé CCD čipy.

Schéma HEROSu je pak následující: Světlo vstupuje do spektrografu optickým vláknem (zprava). Z ústí vlákna postupuje doleva a dopadá na kolimátor, který z rozbíhavého svazku vytvoří rovnoběžný paprsek; ten postupuje doprava a dopadá na ešeletovou mřížku. Ta vytvoří několikrát zmiňovaný obraz mnoha překrývajících se řádů a promítá jej zpět doleva (vzhledem k horizontálnímu sklonu sklonu mřížky se paprsky promítají "více dolů" tj. rozložený paprsek se promítá "pod" dopadající rovnoběžný svazek). Obraz pak dopadá na polopropustný člen, který jej rozdělí podle vlnových délek na "červenější" a "modřejší" řády. Ty pak postupují již nezávisle. "Červený" svazek prochází polopropustným členem na "červený" krosdisperzer, který rozdělí jednotlivé "červené" řády a odrazí je do "červené" kamery; přitom červený krosdisperzer je umístěn pod kolimátorem, z našeho pohledu tedy "za" kolimátorem, "hlouběji uvnitř obrazovky". "Modrý" svazek se odráží od polopropustného členu a dopadá na "modrý" krosdisperzer, který jej promítá na "modrou" kameru. Schéma HEROSu. Pohled shora.

Přímá fotografie HEROSu je zachycena na následujícím snímku:

Každá z kamer HEROSu má rozsah asi 200nm, takže celý spektrograf je schopen zachytit naráz úsek spektra dlouhý asi 400nm -- tedy desetinásobek toho, co zobrazí coudé spektrograf, a to při zhruba dvojnásobné rozlišovací schopnosti! Pro pořádek: modrá kamera zobrazuje oblast 365 - 565nm, červená 580 - 835nm.

Projekt OES

Na základě zkušeností s HEROSem a se zpracováním dat jak z tohoto přístoje, tak z našeho coudé spektrografu, jsme se rozhodli zvolit pro OES odlišnou konstrukci.

Asi nejdůležitější změnou je, že OES bude štěrbinový, nikoliv vláknový. Hlavní důvody pro toto rozhodnutí jsou dva; zmíníme nejprve ten méně závažný, neboť jej lze shrnut stručněji:

• Vlákno, které by přivádělo světlo z primárního nebo Cassegrainova ohniska, by bylo příliš dlouhé (vzhledem k umístění OESu), takže by pohlcovalo příliš velké množství světla a vyznamně snižovalo účinnost přístroje. Ztráty na 20m dlouhém vláknu se již počítají v desítkách procent. Coudé ohnisko je v bezprostřední blízkosti budovaného spektrografu, takže vlákno by představovalo další, v podstatě nadbytečný, optický člen.
• Druhý důvod je podstatný a vyplývá z principiálních vlastností ešeletů. Konec optického vlákna představuje fakticky bodový světlený zdroj. Na jedné straně to, jak již bylo řečeno, umožňuje zobrazit spektrum bez použití vstupní štěrbiny, na druhé straně však spektrum je velice úzké -- "proužek spektra je příliš tenký". Typická šířka spektra je několik pixelů na CCD čipu (v případě HEROSu je to kolem 5ti pixelů); příčný profil čili řez takovým spektrem pak připomíná spíš histogram než teoretický gaussovský profil:

Teoretický a skutečný profil spektrálního řádu

Teoretický profil vykreslen modře, skutečný šedým histogramem.

Takový profil vede k řadě problémů při zpracování dat. Zejména vznikají problémy při "trasování" přesného průběhu řádu na čipu, tj. zjištění, kudy vede spektrální řád na CCD čipu. Všechny redukční procedury, které jsou dnes k dispozici, předpokládají gaussovský průběh profilu a snaží se hledat jeho maximum. Podle těchto procedur pak průběh řádu definují tak, že "řád jde tudy, kudy prochází hřeben gaussova profilu". Je zřejmé, že tyto procedury nutně selhávají, mají-li fitovat "histogram". To je však jenom začátek problémů, které se na sebe váží a řetězí se až k výsledným nepřesnostem, které na finálním spektru omezují možnosti interpretace fyzikálních vlastností zkoumaných hvězd.

Spektrograf OES bude vybudován v místnosti symetricky položené vůči ohnisku coudé a symetricky vůči dnes používanému coudé spektrografu. Toto umístění umožní prostým překlopením rovinného zrcátka volit mezi prací se standardním nebo ešeletovým spektrografem. Oba bude možné vystřídat opakovaně během jediné noci, bez nutnosti jakýchkoliv mechanických úprav.

V přízemí kopule bude umístění obou zmiňovaných přístrojů následující:

Umístění OESu a coudé spektrografu na průřezu kopulí
dvoumetrového dalekohledu. Schéma OESu Hlavní části spektrografu jsou tyto (jednotlivé prvky jmenujeme v pořadí, jak následují z hlediska světelného paprsku):

• A -- Štěrbina. Předpokládaná poloha 500mm před přední hranou mřížky
• B -- Kolimátor 1. f=(4600 +- 50)mm, průměr kolimovaného svazku a optický průměr kolimátoru 150mm; tvar sférického zrcadla, umístěné v ohniskové vzdálenosti od štěrbiny.
• C -- Ešeletová mřížka. Úhel 69stupňů, tj. sklon 21stupňů od vodorovné roviny. 54.5 vrypů na milimetr, rozměr 154x408mm.
• D -- Parabolické zrcadlo. Průměr 450mm, f=1500mm; kamera, v ohnisku zobrazuje spektrum (vzniklé na ešeletové mřížce, tj. všechny řády se překrývají). Efektivně použitá mimoosová část se středem 165mm od středu zrcadla; vzhledem k úhlu šířky spektra je tato část 330mm dlouhá. Aby zrcadlo nestínilo svazek paprsků mezi kolimátorem a mřížkou, je příslušná část vykrojena do hloubky 35mm v průměru 160mm
• E -- Pomocné rovinné zrcadlo. Optická plocha 50x260mm, úhel sklonu 45stupňů.
• F -- Kolimátor 2. Parabolické zrcadlo o průměru 300mm, f=1000mm, v ohnisku obraz pupily o průměru 100mm. Efektivně se používá mimoosová část 100x220mm se středem 110mm od středu zrcadla.
• G -- Hranol ("krosdisperzer"). Sklo LF5, vrcholový úhel 54.5stupňů; hranol rozděluje spektrální řády tak, že v ohnisku f=200mm kamery vyplňuje plochu 30x10.5mm. Kolimátor je umístěn před obrazem pupily. Dopadový úhel 46.8stupňů, odchylka středového paprsku na vln. délce 4800 Angströmů je 38.6stupňů.
• H -- Čočkový objektiv kamery, CANON, f=200mm, světelnost 1:1.8. Umístěn za obrazem pupily.

Dewarova nádoba s CCD čipem. 2000x800 pixelů, rozměr pixelu 15mikrometrů, objektiv zaostřen na čip.

Technické řešení konstrukce OESu je zobrazeno na následujícím obrázku (klikni na něj pro lepší rozlišení):

Detail předpokládaného technického řešení (definitiní řešení dosud není přijato) štěrbinové hlavy je zobrazeno na následujícím obrázku: