Podcasts about spektrographen

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und dem Test optischer Frequenzkämme zur Kalibration astronomischer Spektrographen. Die Genauigkeit der besten Spektrographen war bisher durch ihre Kalibration begrenzt. Die Benutzung von Frequenzkämmen als hochgenaue optische Frequenzreferenz verspricht die Überwindung dieser Limitierung, und damit die Bestimmung von Linienpositionen in astronomischen Spektren mit nie dagewesener Genauigkeit. Dies eröffnet faszinierende neue Möglichkeiten in der Astronomie, wie die Entdeckung erdähnlicher extrasolarer Planeten über Radialgeschwindigkeitsmessungen, die direkte Messung der Beschleunigung der kosmischen Expansion, oder eine genauere kosmologische Suche nach Veränderlichkeit von Naturkonstanten. Auf Basis der vorliegenden Arbeit wurde eine kommerzielle Version des astronomischen Frequenzkamms entwickelt, die derzeit für die Installation und den Routinebetrieb an mehreren Observatorien vorbereitet wird. Um die Kammstruktur mit astronomischen Spektrographen ausreichend gut aufzulösen, werden Frequenzkämme mit extrem großen Modenabständen von typischerweise >10 GHz benötigt. Zur Erzeugung von Frequenzkämmen mit derart hohen Modenabständen verfolgt diese Arbeit einen Ytterbium-Faserlaser-basierten Ansatz, der auf der Unterdrückung ungewollter Moden eines Frequenzkamms mit ursprünglich geringerem Modenabstand beruht. Zur breitbandigen Kalibration von Spektrographen muss das erzeugte Kammspektrum über einen großen Teil des sichtbaren Spektralbereichs hinweg verbreitert werden. Bei Pulswiederholraten von >10 GHz erweist sich dies als sehr herausfordernd, und bringt bis dahin unbekannte Effekte hervor. Die vorliegende Arbeit entwickelt Strategien zur spektralen Verbreiterung astronomischer Frequenzkämme, und untersucht hiermit verbundene Fragen wie Farbzentren-Bildung im Kern photonischer Kristallfasern. Des Weiteren wird theoretisch und experimentell nachgewiesen, dass spektrale Verbreiterung mit einer drastischen Verstärkung unterdrückter Kammmoden einhergeht, und es wird gezeigt, wie hierdurch bedingte Kalibrations-Ungenauigkeiten begrenzt werden können. Da die Einhüllende des verbreiterten Spektrums stark strukturiert ist, ist es von Nutzen diese abzuflachen. Hierbei werden die Signalpegel aller Kalibrationslinien auf dem Spektrographen angeglichen, was deren Signal-zu-Rausch-Verhältnis maximiert und dadurch die Kalibrationsgenauigkeit erhöht. Mehrere Konzepte zur adaptiven spektralen Abflachung werden entwickelt, wobei über einen Bereich von >200 nm abgeflachte Spektren erzeugt werden. Der astronomische Frequenzkamm wird an HARPS getestet, dem bis heute führenden Spektrographen zur Exoplanetensuche, der sich am La Silla Observatorium in Chile befindet. Über kurze Zeitspannen wird hier eine Wiederholbarkeit der Kalibration von 2,5 cm/s erreicht – einen Faktor 4 besser als mit einer Thorium-Lampe, der bis dahin besten Kalibrationsquelle. Erstmals wird der Orbit eines extrasolaren Planeten mit Hilfe eines Frequenzkamms rekonstruiert, und ein Frequenzkamm-kalibrierter Atlas solarer Linien wird aus Beobachtungen von Mondlicht erstellt. Instrumentelle Effekte werden gründlich untersucht, insbesondere Kalibrationsverschiebungen, die von den Signalpegeln auf der Spektrographen-CCD abhängen. Hinsichtlich seiner Anwendungen in der Sonnenastronomie wird der Frequenzkamm am VTT Sonnenspektrographen auf Teneriffa getestet. Hier wird eine Technik eingesetzt, die den Spektrographen über eine monomode Glasfaser gleichzeitig mit Kalibrationslicht und Sonnenlicht versorgt. Dadurch wird Modenrauschen des Faserkanals als Ursache für Ungenauigkeiten ausgeschlossen, und die Kalibrationswiederholbarkeit verbessert sich um ca. 2 Größenordnungen gegenüber einer zeitlich getrennten Übertragung. Dieses Konzept wird zur Vermessung globaler Sonnenoszillationen und zur Bestimmung der Stabilität von Absorptionslinien aus der Erdatmosphäre angewandt.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Frequenzkamm entwickelt, um astronomische Spektrographen besser kalibrieren zu können. Im Jahr 1999 hat die Entwicklung des Frequenzkamms den Bereich der Präzisionsspektroskopie revolutioniert. Mit seiner Hilfe wurde die Messung von Übergängen in atomaren Systemen mit zuvor unerreichter Genauigkeit möglich, was 2005 mit dem Nobelpreis für Theodor W. Hänsch und John Hall gewürdigt wurde. In dieser Zeit wurde am 3.6m Teleskop in La Silla, Chile der HARPS Spektrograph in Betrieb genommen. Er besitzt bis heute die höchste Sensitivität um die Beschleunigung kosmischer Objekte zu detektieren. Diese wird aus einer Änderung der Rotverschiebung des Lichts geschlossen. Die Präzision, mit der Frequenzänderungen gemessen werden können, ist momentan begrenzt durch die Kalibrationsquellen. Für die Entdeckung erdähnlicher Planeten über ihren Rückstoss oder gar die direkte Beobachtung der beschleunigten Ausdehnung unseres Universums ist diese Genauigkeit jedoch unzureichend. Nur durch den Einsatz neuartiger Kalibrationsquellen kann eine ausreichende Sensitivität auf Änderungen der Rotverschiebung erreicht werden. Daher wurde in 2005 eine Zusammenarbeit zwischen der Europäischen Südsternwarte (ESO) und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) initiiert um einen Frequenzkamm zu entwickeln, der für die nächste Generation von Spektrographen als Kalibrationsquelle dienen kann. In dieser Arbeit wurde ein Yb-Faserlaser entworfen und erstmals zu einem Frequenzkamm inklusive Detektion und Stabilisierung der Offset-Frequenz weiterentwickelt. Um die einzelnen Kalibrationslinien des Kamms mit einem astronomischen Spektrographen auflösen zu können, musste der Modenabstand erhöht werden. Dazu wurden Fabry-Pérot Resonatoren als schmalbandige Filter entwickelt. Schliesslich musste der spektrale Bereich des Spektrographen von 400-700nm abgedeckt werden, was durch spektrale Verbreiterung in speziell entwickelten, mikrostrukturierten Fasern erreicht wurde. Mehrere Entwicklungsstufen dieses Systems wurden an einem Spektrographen auf Teneria und an HARPS getestet. Dabei konnte jeweils gezeigt werden, dass der Frequenzkamm die erwarteten Spezifikationen erfüllt und traditionelle Kalibrationsquellen in ihrer Sensitivität auf Frequenzabweichungen übertrifft. Frequenzänderungen von 200 kHz konnten detektiert werden, was einer Sensitivität auf Geschwindigkeitsänderungen von kosmischen Objekten von 10 cm/s entspricht. Ca. 30% des spektralen Bereiches des HARPS Spektrometers konnten abgedeckt werden und mit verbesserter spektraler Verbreiterung ist das Erreichen des gesamten Bereichs mit der nächsten Entwicklungsstufe realistisch. Durch den Einsatz eines solchen, verbreiterten Frequenzkamms an Spektrographen der nächsten Generation werden Geschwindigkeitsänderungen eines kosmischen Objekts von nur 1 cm/s detektierbar. Dies wird die Durchführung der ambitionierten Beobachtugen ermöglichen, die in der Astronomie innerhalb der nächsten Jahrzehnte geplant sind.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Analyse einer neuartigen abbildenden Optik mit dem Ziel, das räumliche Auflösungsvermögen im Röntgenband zwischen 1 keV und 20 keV auf wenigstens 1 mas zu verbessern. Aufgrund ihrer hohen Toleranz gegenüber Fertigungsfehlern besitzen transmissive Linsen das prinzipielle Potential zur beugungsbegrenzten Abbildung. Je nach Ausführung dürfen Abweichungen von mehreren 100 – 1000 nm gegenüber der idealen Formgebung auftreten. Im Gegensatz zur absorptionsbehafteten, massiven Version weist die diffraktive, profiloptimierte Fresnel-Linse auch in höheren Ordnungen eine Beugungseffizienz zwischen 40% und 100% auf. Der Kontamination der Bildebene durch Streustrahlung benachbarter Ordnungen ist ggf. durch eine ausreichende Zentralobstruktion zu begegnen, deren Radius dem doppelten Detektor-Halbmesser entspricht. Strahlenoptische Berechnungen weisen diffraktive Linsen als vergleichsweise tolerant gegenüber Aberrationen sphärischen wie winkelabhängigen Ursprungs aus. Typische Öffnungsverhältnisse f von (10^4 – 10^5) erlauben Verkippungen von bis zu 1°. Die Lichtstärke, definiert als Produkt von effektiver Sammelfläche und Bandpass, skaliert für Fresnel-Linsen ausschließlich linear mit der Brennweite, bleibt allerdings selbst für Fokaldistanzen von wenigen 100 km auf wenige cm^2 keV beschränkt. Mit der segmentierten Apertur lässt sich jedoch die Lichtstärke erhöhen, ohne das Prinzip der beugungsbegrenzten Abbildung und den klassischen Einzelfokus aufzugeben. Bei einer Ortsauflösung von 1 mm erreichen derlei inkohärent operierende Objektive eine Lichtstärke von über 1000 cm^2 keV. Unter Einsatz eines dem diffraktiven Bandpass adäquaten Kristallspektrographen bedarf es dazu tendenziell großer Radien von rund 10 m und typischer Brennweiten im Bereich einiger 100 km. Ferner wurden im Rahmen dieser Arbeit mutmaßlich erstmals Multiband-Objektive zur wissenschaftlich vorteilhaften Simultanfokussierung von bis zu drei Energiebändern implementiert. Bestehend aus Partial-Linsen unterschiedlicher Gitterfrequenz, erweisen sie sich der Monoband-Ausführung als bzgl. Auflösung, Brennweite und Lichtstärke prinzipiell ebenbürtig. Die Dispersionskorrektur mittels eines additiven refraktiven Linsenprofils erweitert den spektralen Bandpass auf dem Detektor direkt zugängliche 100 eV oder mehr. Mit der Absorption geht eine reduzierte Sammelfläche für kompakte Hybridlinsen einher. Trotzdem resultiert unter Beibehalt der Winkelauflösung für Materialien wie Li oder Be jenseits weniger keV eine gegenüber dem diffraktiven Analogon verbesserte Lichtstärke. Optimiert bzgl. Material und Energie, steigern derartige Achromaten die Nachweisempfindlichkeit um das bis zu 40-fache – entsprechend einer Lichtstärke von rund 100 cm^2 keV bei Brennweiten von 100 km oder mehr. Wiederum segmentiert, wirkt sich die Absorption vergleichsweise geringfügig auf die Winkelauflösung aus, die Sensitivität des dispersionskorrigierten Objektivs steigt gegenüber der diffraktiven Version unter sonst gleichen Bedingungen jetzt um bis zu zwei Größenordnungen. Bei gegebener Ortsauflösung von 0.75 mm ergeben sich für Li oberhalb von 6 keV und Be jenseits von 8 keV optimierte Lichtstärken zwischen 10^3 und 10^4 cm^2 keV, vergleichbar jenen der gegenwärtig aktiven Observatorien Chandra und XMM-Newton. Die Winkelschärfe skaliert invers mit der Fokaldistanz, für höchstens 1 mas ergeben sich Brennweiten von rund 100 – 1000 km. Plankonvexe Profile werden den zumeist kleinen Krümmungsradien der refraktiven Komponente hinsichtlich ihrer Aberrationen dritten Grades im allgemeinen nicht gerecht. Hingegen reduziert das aplanatische, nahezu bikonvexe Profil sowohl sphärische als auch winkelabhängige Bildfehler auf ihre diffraktiven Beiträge und legt daher im segmentierten Hybrid-Achromaten die Konstruktion symmetrischer, prismen-ähnlicher Bausteine nahe. Die mit der kohärenten Profilreduktion einhergehende Interferenz erfordert den Einsatz abbildender Spektrographen mit einer Auflösung nahe 1 eV. Vor allem optisch schwache Materialien wie z.B. Polycarbonat (C16H14O3) profitieren von der erhöhten Transparenz bei konstanter Orts- und Winkelauflösung; im Energieintervall zwischen 9 keV und 12 keV optimierte Beispielkonfigurationen liefern eine Lichtstärke von wenigstens rund 1000 cm^2 keV. Modelle aus Li und Be erreichen oberhalb von 4 keV bzw. 7 keV eine ähnliche Leistungsfähigkeit. Multiband-Hybridsysteme gestatten anders als diffraktiv simultan fokussierende Objektive die Detektion mittels konventioneller CCD. Die aus Li und Be bestehenden Konfigurationen bilden jeweils zwei Energiebänder gleichzeitig ab und erweisen sich bei einer Ortsauflösung im Sub-mm-Bereich sowie Brennweiten von wenigen 100 km als eine hinsichtlich ihrer Gesamt-Lichtstärke konkurrenzfähige Alternative zum Monoband-Teleskop: Man erhält im Idealfall 4000 cm^2 keV bis 7000 cm2 keV. Dialytische Modell-Teleskope, deren refraktive Komponente von der diffraktiven räumlich separiert ist, bieten zum einen die Option einer über mehrere keV durchstimmbaren, dispersionskorrigierten Optik. Unter Variation des Linsenabstandes ergibt sich ein nutzbares Energieintervall zwischen 6 keV und 14 keV. Die Lichtstärke nimmt dabei von 1000 cm^2 keV in zweiter bis auf 4000 cm^2 keV in dritter Dispersionsordnung zu. Kompakte Dialyten mit Durchmessern von 1 m besitzen das Potential zu einer Winkelauflösung von wenigen 10 Mikrobogensekunden sowie einer Lichtstärke von mehreren 1000 cm^2 keV. Der spektrale Bandpass solcher Modelle beträgt rund 1 keV oder mehr. Abschätzungen zum Signal-Rausch-Verhältnis zeigen, dass bei ausreichender Abschirmung des Detektors und moderatem Quellfluss mit einer signal- oder photonenlimitierten Beobachtungssituation zu rechnen ist. Dies gilt angesichts des diskreten Röntgen-Hintergrundes weitgehend auch dann, wenn mehrere Teleskope parallel geschaltet werden. Ergänzende Betrachtungen zu potentiellen astronomischen Beobachtungsobjekten zeigen, dass Koronae benachbarter Sterne, Jets von Röntgen-Doppelsternen und aktiven Galaxienkernen, Supernova-Überreste bzgl. ihrer Ausdehnung einer Auflösung von 1 mas genügen. Von großem Interesse dürften im Hinblick auf künftige Gravitationswellen-Experimente ferner Betrachtungen verschmelzender, supermassiver Schwarzer Löcher sein.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Inbetriebnahme SPIFFIs (Spectrograph for Integral Faint Field Imaging), des ersten abbildenden Nahinfrarot-Spektrographen an einem 8m-Klasse-Teleskop und die Demonstration der wissenschaftlichen Leistungsfähigkeit abbildender Nahinfrarot-Spektroskopie. Die Arbeit ist in zwei Teile gegliedert. Der erste Teil beschäftigt sich mit der Inbetriebnahme und Charakterisierung SPIFFIs im Labor und am Teleskop. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse von K-Band-Daten der ultraleuchtkräftigen Galaxie IRAS06206-6315, die während des ersten Beobachtungslaufes SPIFFIs als Gast-Instrument im Februar 2003 am Very Large Telescope (VLT) genommen wurden.

Zusammenfassung O ene Sternhaufen stellen als Gruppen von Sternen gleichen Alters und aufgrund ihres Ursprungs gleicher chemischer Zusammensetzung ein einzigartiges Labor zum Test von Sternentwicklungsmodellen dar. Diese Arbeit beschaftigt sich dabei mit dem o enen Sternhaufen Melotte 111 und den Pleiaden. Um Beobachtung und Modell vergleichen zu konnen, ist es dabei notwendig die stellaren Parameter E ektivtemperatur, Gravitationsbeschleunigung, Metallizitat und Mikroturbulenz mit gro tmoglicher Prazision fur Sterne im gesamten in o enen Haufen vorkommenden Parameterbereich zu messen. Um diesem Anspruch gerecht zu werden wird im Rahmen dieser Arbeit das Opacity Sampling Modellatmospharenprogramm MAFAGS-OS eingefuhrt. Auf einer Datenbasis von mehr als 20 Millionen gebunden-gebunden Ubergangen von Elementen der Ionisationsstufen I, II und III sowie 11 diatomischen Molekulen basierend werden Methoden der Linienauswahl, sowie ein geeignetes Stutzstellengitter fur Sterne der Spektraltypen A, F und G fur Entwicklungsstadien von der Hauptreihe bis zum Turno und Sterne verschiedener Metallizitat untersucht und festgelegt. MAFAGS-OS erweist sich im Vergleich mit der solaren Flussverteilung und den " Farben der Sonneals herkommlichen Opacity Distribution Function (ODF) Modellen uberlegen. Das sogenannte Problem der missing ultraviolet opacity verschwindet in der Sonne dabei fast zur Ganze.1 Bezuglich der Sonne bleiben allerdings die von herkommlichen Modellen bekannten De zite in d

Fri, 10 Dec 1999 12:00:00 +0100 https://edoc.ub.uni-muenchen.de/461/ https://edoc.ub.uni-muenchen.de/461/1/Tecza_Matthias.pdf Tecza, Matthias