O Shelyak eShel III é um potente espectrógrafo Echelle de terceira geração, desenvolvido especificamente para programas de observação astronómica exigentes. Combina uma elevada resolução espectral com uma ampla faixa espectral. Assim, o instrumento é adequado para astrónomos amadores com orientação científica, instituições de ensino superior, observatórios e grupos de investigação que pretendam avaliar quantitativamente espectros estelares e estudar as variações temporais de objetos astrofísicos.
Com uma resolução de R = 10 000 na faixa espectral de cerca de 370 a 910 nanómetros, o eShel III abrange grande parte do ultravioleta próximo, toda a faixa visível e uma parte do infravermelho próximo. A captura simultânea de numerosas linhas espectrais numa única imagem reveste-se de particular interesse para a análise de atmosferas estelares, a medição de velocidades radiais, a observação de estrelas variáveis, bem como o estudo de objetos com linhas de emissão.
O princípio Echelle: alta resolução com ampla faixa espectral
Os espectrógrafos de rede convencionais enfrentam frequentemente um conflito de objetivos inerente à sua conceção: uma elevada resolução espectral, para um determinado tamanho de sensor, prejudica a amplitude do espectro de comprimentos de onda que pode ser captado simultaneamente. O eShel III resolve este conflito de objetivos através do método Echelle, no qual uma rede de difração opera em ordens de difração elevadas.
A luz do objeto objeto de observação é acoplada ao espectrógrafo através de uma fibra ótica e direcionada para a grelha Echelle. As ordens de difração elevadas produzem uma separação espectral fina. Uma vez que as ordens individuais se sobrepõem nas suas faixas de comprimentos de onda, um sistema de dispersão cruzada separa adicionalmente as ordens entre si no plano espacial. No eShel III, esta tarefa é desempenhada por um prisma.
Assim, no sensor da câmara não se forma uma única faixa espectral contínua, mas sim um espectro Echelle bidimensional composto por numerosas ordens espectrais dispostas lado a lado. O software de análise extrai as ordens individuais, calibra-as e combina-as num espectro cientificamente utilizável.
O eShel III utiliza, em particular, as ordens espectrais de 25 a 60. Desta forma, é possível abranger uma gama de comprimentos de onda de aproximadamente 370 a 910 nm.
Estrutura acoplada por fibra para condições de medição estáveis
Uma característica essencial da construção do eShel III é a separação entre o sistema de acoplamento de luz, localizado no telescópio, e o próprio espectrógrafo. A luz estelar é transmitida ao espectrógrafo através de uma fibra ótica com um diâmetro do núcleo de 50 µm.
Esta configuração oferece várias vantagens:
- Estabilidade térmica: o espectrógrafo pode ser instalado numa sala com temperatura controlada. Isto reduz as alterações na geometria ótica causadas pela temperatura e contribui para a reprodutibilidade das medições
- Melhores condições de medição para velocidades radiais: um ambiente mais estável para os instrumentos facilita a comparabilidade precisa de espectros sucessivos no tempo
- Instalação flexível: o telescópio e o espectrógrafo não têm de ser montados imediatamente um ao lado do outro
- Operação conveniente: a ótica sensível de espectroscopia pode ser operada independentemente das condições mecânicas e térmicas do telescópio.
Este conceito baseia-se na experiência do fabricante com espectrógrafos profissionais acoplados a fibras, como o MUSICOS e o Narval. No entanto, a transmissão por fibra, por si só, não garante uma precisão específica na medição da velocidade radial: esta depende adicionalmente da calibragem, da estabilidade da escala de comprimentos de onda, da configuração do instrumento e da redução de dados.
Sistema ótico e detetor
O módulo espectrógrafo do eShel III utiliza um sistema ótico Petzval especialmente desenvolvido, com uma distância focal de 122 milímetros e uma relação de abertura de f/2,2. Esta ótica da câmara reproduz o espectro bidimensional gerado pelo sistema Echelle no sensor da câmara científica. A construção foi concebida para garantir uma focagem o mais uniforme possível das ordens espectrais utilizadas.
Para a captura espectral, a Shelyak recomenda uma câmara monocromática com sensor Sony IMX571, por exemplo, a ZWO ASI2600MM Pro. A câmara não está incluída no fornecimento do espectrógrafo e deve ser adquirida separadamente.
A combinação da ótica Echelle com um sensor CMOS de grande área permite a captura simultânea de numerosas ordens espectrais.
Duas versões para a focagem
Para a focagem da captura espectral, o espectrógrafo está equipado com um focador helicoidal manual. No entanto, está também disponível uma variante com focador motorizado da PrimaLuceLab, que permite a focagem por controlo remoto.
Calibragem e alimentação de luz
Para um espectro cientificamente utilizável, é necessária uma calibragem fiável das linhas espectrais. Por esse motivo, a Shelyak disponibiliza uma unidade de calibragem com uma lâmpada de cátodo oco de tório-argônio (ThAr). Esta pode ser adquirida como acessórios ou como sistema completo, juntamente com o espectrógrafo.
As numerosas linhas de emissão conhecidas desta lâmpada servem de referência para a atribuição das posições dos detetores aos comprimentos de onda.
O sistema de calibração inclui ainda uma lâmpada halogénea, que pode ser utilizada para imagens Flatfield. Estas imagens auxiliam na correção da distribuição da sensibilidade e das heterogeneidades instrumentais.
A transmissão da luz é efetuada através de duas fibras óticas com um comprimento de 20 m cada:
- Fibra de objeto com 50 µm de diâmetro do núcleo: transmite a luz estelar recolhida pelos telescópios para o espectrógrafo.
- Fibra de calibração com um diâmetro do núcleo de 200 µm: conduz a luz da unidade de calibração.
No telescópio, a fibra é ligada através da unidade de injeção e orientação de fibra FIGU F/6. Esta unidade permite o acoplamento preciso do objeto-alvo na fibra de objeto, com apenas 50 µm de espessura, e possibilita o acompanhamento do objeto. A configuração completa do sistema inclui ainda a fonte de alimentação de alta tensão correspondente à lâmpada de calibração, os cabos de ligação e os adaptadores.
Áreas de aplicação científica
- Estrelas Be e outros objetos com linhas de emissão: A análise de linhas de emissão, em particular da série de Balmer do hidrogénio, permite tirar conclusões sobre a matéria circunestelar, os movimentos do gás e as alterações nos ambientes estelares. O eShel III é adequado para observações repetidas ao longo do tempo de estrelas Be, bem como de estrelas Wolf-Rayet, novas e objetos estelares jovens.
- Estrelas variáveis e espectroscopia com resolução temporal: Através da aquisição repetida de espectros calibrados, é possível registar alterações nos perfis e nas posições das linhas. Particularmente interessantes são as estrelas pulsantes, como as do tipo RR Lyrae, cujos espectros fornecem informações sobre movimentos atmosféricos e a fase de pulsação.
- Velocidades radiais e investigação de exoplanetas: os deslocamentos das linhas espectrais em relação a uma referência podem ser utilizados para determinar a velocidade radial de uma estrela. Assim, em condições de medição adequadas, é possível realizar estudos de estrelas duplas por meio de espectroscópios e programas selecionados de velocidade radial. A precisão real da medição depende essencialmente da estabilidade do instrumento, da calibragem, da relação sinal-ruído e do método de análise.
- Espectros solares e estelares: O grande número de ordens espectrais registadas simultaneamente permite o estudo de numerosas linhas de absorção. A partir daí, em condições de análise adequadas, é possível obter informações sobre a temperatura, a composição química e as condições físicas nas atmosferas estelares.
- Nebulosas planetárias, asteróides e corpos planetários: No caso das nebulosas planetárias, as linhas de emissão e as suas relações de intensidade assumem um papel central. Por outro lado, a espectroscopia de asteróides e outros corpos do sistema solar pode fornecer indicações sobre as propriedades da superfície, a luz solar refletida e características de classificação espectral.
Software e redução de dados científicos
Para o funcionamento e a análise, a Shelyak disponibiliza o software Demetra numa versão adaptada ao eShel. Este software apoia o fluxo de trabalho, desde a calibragem até ao processamento dos dados espectrais.
Nos espectrógrafos Echelle, a redução de dados constitui uma parte essencial do processo de medição: as diferentes ordens espectrais têm de ser identificadas, extraídas, calibradas em termos de comprimento de onda e, se necessário, corrigidas no que diz respeito à sensibilidade do instrumento. Para análises mais aprofundadas, os espectros obtidos podem ser posteriormente utilizados, por exemplo, para a análise de perfis de linhas, larguras equivalentes e deslocamentos Doppler.
Como referência adicional, Shelyak menciona um tutorial de análise para o software ISIS. Desta forma, para além do software do próprio fabricante, está disponível mais uma abordagem para o processamento de espectros astronómicos.
O Shelyak eShel III é uma solução potente para utilizadores que pretendem ir além da simples classificação espectral e registar espectros reproduzíveis e quantitativamente analisáveis. A sua combinação de tecnologia Echelle, ampla gama de comprimentos de onda, cabo de fibra ótica e calibragem é particularmente adequada para programas de observação exigentes na astrofísica estelar.
Conteúdo da embalagem do sistema completo
- Espectrógrafo eShel-III com ótica Petzval de 122 mm e focalizador manual ou motorizado, à escolha
- Interface de câmara para a ZWO ASI2600MM Pro
- FIGU F/6 para injeção por fibra e acompanhamento
- Fibra de objeto com diâmetro do núcleo de 50 µm e 20 m de comprimento
- Fibra de calibração com diâmetro do núcleo de 200 µm e comprimento de 20 m
- Módulo de calibração com lâmpada de tório-argônio e lâmpada halogénea
- Fonte de alimentação de alta tensão e cabos correspondentes
- Anel adaptador M42-T
- Ferramentas de ajuste
- Documentação de instalação e utilização.
Nota: A câmara não está incluída no fornecimento.
