Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I. Spektroskopia. Jyri Lehtinen. kevät Helsingin yliopisto, Fysiikan laitos

Transkriptio

1 Spektroskopia Helsingin yliopisto, Fysiikan laitos kevät 2013

2 8. Spektroskopia Peruskäsitteet Spektroskoopin rakenne Spektrometrian käyttö Havainnot ja redusointi Spektropolarimetria

3 8. Yleistä spektroskopiasta Mitataan kohteen vuontiheyden allonpituusjakauma Valo hajotetaan dispersioelementillä Spektroskopialla voidaan tutkia aineen: Koostumusta (aineiden spektriviivat) Lämpötilaa (mm. spektriviivojen lämpötilariippuvuudet) Painetta Liikettä (Doppler-ilmiö) Magneettikenttää (Zeemanin ilmiö) Zeemanin ilmiö auringonpilkun spektrissä

4 8.1 Spektroskopian peruskäsitteitä: Erotuskyky Spektroskoopin erotuskyky: R = λ/ λ Matala resoluutio, R Korkea resoluutio, R Matalan resoluution edut: Voidaan tutkia himmeämpiä kohteita Laajempi spektrialue samaan kuvaan Mahdollusuus tehdä absoluuttista spektrofotometriaa Korkean resoluution edut Saadaan spektrin yksityiskohdat näkyviin Mahdollistaa tarkan säteisnopeuden mittaamisen ja viivaproviilien erojen tarkastelun

5 8.1 Spektroskopian peruskäsitteitä: Dispersio Dispersiokäyrä: λ = l(s), jossa s on pituusmitta spektristä saadussa kuvassa. Parhaimmillaan l:lle voidaan olettaa lineaarinen approksimaatio λ = Ds (D on verrannollisuuskerroin), mutta yleensä se mallinnetaan plynomina.

6 8.2 Spektroskoopin rakenne Rako Kollimaattori Dispersioelementti: Hila Prisma Grism Kamera

7 8.2.1 Rako Kohteen kuva fokusoidaan rakoon Rako rajaa kuvakentästä tutkittavan kohteen Pitkä rako (long slit) mahdollistaa useamman spektrin saamisen samalla valotuksella, esim. kohde+tausta tai kaksi kohdetta. Raon leveys: Havaittu spektri on kuva raosta eri aallonpituuksilla Kapea rako rapempi resoluutio Liian kapea rako Suurin osa kohteen valosta rajataan pois Rako on optimoitava olosuhteiden ja halutun resoluution mukaan Raoton spektrografi: Jokaisesta kuvan kohteesta saadaan spektri. Spektrien resoluutio riippuu kaukoputken erotuskyvystä ja seeingistä.

8 8.2.2 Kollimaattori Tuottaa yhdensuuntaisen sädekimpun dispersioelementtiä varten Peili tai linssi Yleensä peili, sillä linssit absorboivat etenkin UV-säteilyä HARPS-pektrografin kollimaattori (ESO) HARPS = High Accuracy Radial velocity Planet Searcher

9 8.2.3 Hila Läpäisyhila tai heijastushila (yleisempi) Hilan uurteiden tiheys on luokkaa /mm Diffraktoituneen valon tulo- ja lähtökulmilla on yhteys a(sinα sinβ) = mλ, m =..., 1,0,1,... m on spektrin kertaluku

10 8.2.3 Hila Blazed grating: Vältetään suurimman osan valosta joutumista kertalukuun m = 0 Geometrinen heijastus saadaan tiettyyn kertalukuun Maksimitehokkuus on n %, kun kertaluku on m 0 ja aallonpituus λ 0 (blaze wavelength) Hilaspektrografin erotuskyky on R = Nm Korkeat kertaluvut osuvta päällekkäin, siksi käytetään Aallonpituussuodatinta Ristidispersioelementtiä (yleensä prisma tai grism)

11 8.2.4 Muut disersioelementit Prisma Pienempi resoluutio kuin hilalla Käytetään vähemmän Objektiiviprisma ei rakoa Grism: uurrettu prisma Muita spektrometrejä: Fourier-muunnosspektrometri Grism (HARPS, ESO)

12 8.2.5 Kamera Kamera kuvaa dispersioelementin tuottaman spektrin Fokusoidan rakoon Nykyään spektri tallennetaan CCD-kameralla (poikkeuksena jotkut vanhimmat havaintolaitteet) HUOM! Kameran pikselimäärä on huomioitava. Optiikka optimoidaan siten, että pikselin koko vastaa haluttua resoluutiota, esim. λ vastaa ainakin kahta pikseliä.