Главная страница
qrcode

Любительская астроспектрография _Марычев_. М. О. Марычев Нижегородский университет им. Н. И. Лобачевского


НазваниеМ. О. Марычев Нижегородский университет им. Н. И. Лобачевского
АнкорЛюбительская астроспектрография Марычев .pdf
Дата01.01.2018
Размер1.61 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаLyubitelskaya_astrospektrografia_Marychev.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипДокументы
#54227
Каталогopenastronomy

С этим файлом связано 37 файл(ов). Среди них: the_saturn_system_090817.pdf, Karty_putey_komet_i_asteroidov_i_pokrytiy_na_iyul_2017.pdf и ещё 27 файл(а).
Показать все связанные файлы

1 # 26
ЛЮБИТЕЛЬСКАЯ АСТРОСПЕКТРОГРАФИЯ
ДЛЯ ОЦЕНКИ ТЕМПЕРАТУРЫ ФОТОСФЕР ЗВЁЗД
М.О. Марычев
Нижегородский университет им. Н.И. Лобачевского
Физический факультет
Кафедра кристаллографии и экспериментальной физики
marychev@yandex.ru
Слет любителей астрономии
5 - 6 сентября 2015 г.
Спортивно-оздоровительный лагерь "Заря"
ННГУ им. Н.И. Лобачевского

2 # 26
Многое об астрономических объектах мы знаем благодаря анализу электромагнитного излучения, излучаемого этими объектами или взаимодействующего с ними, в том числе спектральному анализу излучения.
Спектральный анализ излучения астрономических объектов позволяет получать информацию об элементном составе вещества, температуре, магнитных полях, радиальных скоростях, величине красного смещения, и многом другом.
Спектр излучения - сокращённое название спектральной зависимости интенсивности излучения от длины или частоты волны, или соответствующего изображения, возникающего при падении диспергированного по длине волны излучения на рабочую поверхность фотоприёмника.
Цель доклада
- показать возможности использования бесщелевого спектрографа на основе трансмиссионной дифракционной решётки и цифровой фотокамеры на примере методики оценки температуры фотосфер ряда звёзд.

3 # 26
Для регистрации и анализа спектров излучения используют различные приборы: спектроскопы, спектрометры, спектрофотометры, спектрографы.
Спектральные приборы могут быть построены на различных принципах, например, разделяют диспергирующие и недиспергирующие спектральные приборы.
Пример последних - фурье-спектрометры, основанные на фурье-преобразовании интерферограммы излучения, получаемой в интерферометре Майкельсона при движении одного из его зеркал.
Диспергирующие спектральные приборы используют либо преломление лучей в призмах, либо дифракцию излучения на дифракционных решётках для пространственного разделения излучения разных длин волн.
Используется и оба эффекта сразу, типичный пример – эшелле-спектрометры.

4 # 26
Примеры принципиальных схем призменного и дифракционного спектральных приборов
d

λ
dl
λ + dλ

5 # 26
Иллюстрация дифракции монохроматического излучения на трансмиссионной дифракционной решётке n = 0 n = 1 n = 2 n = – 1 n = – 2

– длина волны падающего излучения d – период решётки дифрагированные пучки различных порядков n


6 # 26
Уравнение дифракционной решётки при нормальном падении света
 





n
d sin
Число штрихов на единицу длины (плотность штрихов)
d
N
1

Некоторые важные параметры диспергирующего спектрального прибора (в т.ч. на основе дифракционной решётки):
Угловая дисперсия
Линейная дисперсия (или обратная линейная дисперсия)
Разрешающая способность решётки (системы)
Спектральное разрешение спектральной системы
Свободный спектральный диапазон (то есть без перекрытия дифр. порядков)

7 # 26
 


nN

sin
 



d
nN
d



cos

d
L
dl


Угловая дисперсия
 



cos
nN
d
d

Обратная линейная дисперсия
 
 
nNL
nNL
dl
d
nN
dl
d
1
cos cos








d

L
dl

8 # 26
Разрешением


называют наименьший интервал длин волн, для которого две монохроматические спектральные линии одинаковой интенсивности ещё наблюдаются раздельно.
Разрешающая способность




R
Для дифракционной решётки
N
n
R


(


N
число штрихов решётки, освещаемых пучком излучения)

I

+

9 # 26
Первоначальный, то есть собственный спектр излучения исследуемого объекта претерпевает изменения, связанные с его взаимодействием с рядом элементов оптической схемы спектрального прибора, а в случае астрономических наблюдений - и с земной атмосферой тоже.
Спектральная функция чувствительности системы (передаточная функция, instrumental response) - важная характеристика спектрального прибора, необходимая для восстановления истинного спектра излучения самого объекта.
Помимо чисто оптических элементов прибора необходимо учитывать спектральную зависимость чувствительности фотоприёмника.
Элемент матрицы Байера цифрового фотоприемника
G
R
B
G

10 # 26
Падающее излучение
 
 
 
 
 
 
 







U
s
U
s
U
s
U
U
U
U
B
G
R
B
G
R






Отклик
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


 
 






















QE
U
s
QE
s
QE
s
QE
U
U
s
QE
U
s
QE
U
s
QE
U
QE
U
QE
U
QE
U
U
U
U
B
B
G
G
R
R
B
B
G
G
R
R
B
B
G
G
R
R
B
G
R
































Передаточная функция
 
 
 



U
U
QE



11 # 26
Для определения функции
 

QE
можно взять источник, спектральная функция
 

U
которого в заданной рабочей области известна, например, лабораторную модель черного тела, или калибровочную вольфрамовую лампу. Можно воспользоваться солнечным излучением, полагая его хорошо соответствующим модели излучения абсолютно черного тела с эффективной абсолютной температурой T = 5778 K
[http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/sunfact.html].
Формула Планка для спектральной плотности излучения абсолютно черного тела


1 1
8
,
5


kT
hc
e
hc
T
u















T
u
hc
kT
hc
,
8 1
ln
5




с = 2,99810 8
м/с скорость света в вакууме h = 6.62610
-34
Джс постоянная Планка k = 1.38110
-23
Дж/K постоянная Больцмана
 - длина волны излучения, м
T - абсолютная температура, K

12 # 26
Для температуры T = 5778 K (фотосфера Солнца) кривая Планка выглядит так:
По горизонтальной оси длина волны в ангстремах (1 Å = 10
-10
м).
Показаны условные границы видимого глазом спектрального диапазона.

13 # 26
Для калибровки спектрального прибора по длинам волн можно использовать источники, в спектре которых имеются спектральные линии с хорошо известными длинами волн, например, можно использовать газоразрядные трубки, наполненные водородом, неоном, аргоном, гелием, парами ртути.
Так как водород - самый распространённый элемент, линии его излучения очень удобны для калибровки спектрального прибора по длинам волн именно в случае астрономической спектрографии.
Спектр излучения атомарного водорода в видимой области
Формула Бальмера (Ридберга)









2 2
1 2
1 1
n
R
H

E
1 2
3 4
0
Серия Лаймана
Серия Бальмера
H
H
H

14 # 26
Принципиальная схема бесщелевого спектрографа
Свет от удалённого источника
(астрономического объекта)
Трансмиссионная дифракционная решётка
Объектив
Нулевой порядок
Первый порядок
(яркий)
Первый порядок
(слабый)
Матричный фотоприёмник
(цифровая фотокамера)

15 # 26
Практическая реализация бесщелевого спектрографа

16 # 26
Основные компоненты и параметры системы:
Трансмиссионная дифракционная решётка
Star Analyser 200-F (Paton Hawksley Education Ltd) изготовлена в формате стандартного 1.25" окулярного фильтра, но в нашем случае закреплена на фронтальной линзе объектива.
Плотность штрихов 200 штр./мм
Максимум блеска в одном из двух дифракционных максимумов первого порядка.
Объектив
MC Юпитер-37А, 3.5/135
Цифровая фотокамера
Sony NEX-5, 14 Mp, 45923056 pix.
Астротрекер
Star Adventurer (Sky Watcher)
Обратная линейная дисперсия
 1.924 Å/pix
Рабочий свободный спектральный диапазон
 4000 – 6700 Å

17 # 26
Примеры спектров излучения различных источников
Набережная г. Опатия (Хорватия), вид на отель Миллениум

18 # 26
Спектр излучения гелий-неонового лазера
Слева - нулевой дифракционный максимум, справа - спектр первого порядка.
Яркая красная линия - 633 нм.
Видны "лишние" спектральные составляющие.

19 # 26
Спектр излучения разрядного канала трубки гелий-неонового лазера
Слева - нулевой дифракционный максимум, справа - спектр первого порядка.

20 # 26
Водород
Гелий
Неон
Аргон
Криптон
Ртуть

21 # 26
Спектр солнечного излучения.
В качестве "щели" использовано отражение от тонкого гладкого металлического стержня.
Видны вертикальные фраунгоферовы линии.
Горизонтальные особенности - неоднородности отражающей способности металлического стержня.
Наиболее заметные фраунгоферовы линии - линии водорода бальмеровской серии, линии натрия в жёлтой части спектра (D-дублет натрия), линии железа и магния в сине-зелёной части спектра.
H
H
H

22 # 26
Спектральное разрешение и разрешающую способность можно оценить по участкам спектра с хорошо различимыми близко расположенными линиями известных элементов.
"Триплет" магния
D-дублет натрия
Mg I 5167.322 Å
Na I 5889.950 Å
Mg I 5172.684 Å,  = 5.36 Å
Na I 5895.924 Å,  = 5.974 Å
Mg I 5183.604 Å,  = 10.9 Å
Наилучшее спектральное разрешение  – около 6 Å
Наилучшая разрешающая способность R – около 950
При менее удачных условиях съёмки этой же системой разрешающая способность может быть в разы меньше.

23 # 26
Примеры спектров некоторых ярких звёзд
Вега ( Лиры)
9790 K
Оценка температуры: 9600 - 10200 K
Арктур ( Волопаса) 4530 K
Оценка температуры: 3300 - 4500 K

24 # 26
Полярная звезда
( Малой Медведицы)
5960 K
Оценка температуры: 5400 - 6200 K

Кассиопеи
30000 K
Оценка температуры:
10000 K

25 # 26
Общая последовательность обработки и анализа изображений спектров звёзд:
 Считывание изображения, разделение цветовых каналов в отдельные матрицы чисел.
 "Вырезание" полосок спектров и таких же по высоте полосок, содержащих только фон.
 Суммирование яркостей пикселов в каждом столбце ("схлопывание" матрицы в одномерную зависимость интенсивности от горизонтального номера пиксела), как для полосок спектров, так и для полосок с фоном.
 Вычитание фоновой составляющей из спектров.
 Калибровка спектра по длинам волн, вычисление обратной линейной дисперсии (обычно по линиям серии Бальмера).
 Калибровка спектра по интенсивности с помощью оцененной предварительно спектральной функции чувствительности системы
(передаточной функции, instrumental response).
 Аппроксимация откалиброванного эмпирического спектра с помощью кривой Планка, оценка соответствующей температуры (фотосферы звезды).
 Идентификация некоторых других спектральных линий.

26 # 26
ВЫВОДЫ
 Спектроскопия - увлекательный метод исследования лабораторных объектов, и ещё более увлекательный метод исследования астрономических объектов.
 С помощью относительно несложного оборудования любитель астрономии может заниматься простейшей спектрографией астрономических объектов и измерять некоторые важные их физические характеристики.
____________________________________________________________________
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

перейти в каталог файлов


связь с админом