Integrální polní spektrograf - Integral field spectrograph - Wikipedia

An integrální polní spektrograf, nebo a spektrograf vybaven integrální jednotka pole (POKUD TY), je optický přístroj kombinující spektrografické a zobrazovací schopnosti, který se používá k získání prostorového rozlišení spektra v astronomie a další oblasti výzkumu, jako jsou biomedicínské vědy a pozorování Země (nebo dálkový průzkum Země ).

Odůvodnění

Integrovaná polní spektroskopie (IFS) se stala důležitou subdisciplínou astronomie s množením dalekohledů s vysokou aperturou a vysokým rozlišením, kde je třeba studovat spektra rozšířených objektů jako funkce polohy nebo shluků mnoha diskrétních hvězd nebo bodových zdrojů v malém poli. Takový spektroskopické vyšetřování byla dříve prováděna s spektrografy s dlouhou štěrbinou ve kterém je spektrum rozptýleno kolmo na štěrbinu a prostorové rozlišení je získáno v rozměru podél štěrbiny. Poté krokováním polohy štěrbiny lze získat spektrum bodů v zobrazeném poli, ale proces je poměrně pomalý a plýtvání potenciálně omezeným časem dalekohledu. K urychlení těchto pozorování se používají integrální polní spektrografy současným získáváním spekter v dvourozměrném poli. Vzhledem k tomu, že se prostorové rozlišení dalekohledů ve vesmíru (a také pozemních přístrojů využívajících adaptivní optiku) v posledních letech rychle zlepšilo, je potřeba takových multiplexovaných přístrojů stále naléhavější.

Metody

Animace zobrazující galaxii NGC 7421 s MÚZA data. Animace ukazuje následující řezy dusíkové linie, emitované oblasti tvořící hvězdy. Animace začíná obrázkem s větší modrou vlnovou délkou a pokračuje s větší červenou vlnovou délkou. V důsledku otáčení galaxie jsou emisní čáry menší červeně posunutý na levé straně.

Kráječ obrázků

V tomto přístupu je obraz rozřezán na plátky[1] (například pomocí kráječe obrázků Bowen[2][3]) v obrazové rovině a znovu uspořádané tak, že různé části obrazu všechny spadnou na štěrbinu a disperzní prvek, takže se získá spektrum pro větší oblast zájmu. Další způsob, jak o tom přemýšlet, je, že štěrbina je opticky rozřezána na menší kousky a znovu zobrazena na rovinu obrazu na více místech.

Nástrojem používajícím tuto techniku ​​je například UVES[4][5] na Velmi velký dalekohled.

Pole čoček

U tohoto typu IFU je pole čočkových čoček umístěno do roviny vstupních štěrbin spektrografu, v podstatě funguje jako prostorové pixely nebo spaxely. Všechny paprsky generované polem čoček jsou poté vedeny disperzním prvkem a zobrazeny kamerou, což vede ke spektru pro každý jednotlivý objektiv.

Nástroje jako SAURON[6] na Dalekohled Williama Herschela a KOULE IFS[7] subsystém na internetu VLT použijte tuto techniku.

Vlákna

Zde je světlo sledovaných cílů zachyceno řadou vláken, které tvoří rovinu vstupních štěrbin spektrografů. Druhý konec vláken je uspořádán podél jediné štěrbiny tak, že jeden získá spektrum pro každé vlákno.

Tuto techniku ​​používají nástroje v mnoha dalekohledech (například INTEGRAL)[8] na Dalekohled Williama Herschela ), a to zejména v současné době probíhajících velkých průzkumech galaxií, jako je CALIFA[9] na Observatoř Calar Alto, SAMI[10] na Australská astronomická observatoř a MaNGA[11] což je jeden z průzkumů tvořících další fázi Průzkum digitálního nebe Sloan.

Různorodá spektroskopie pole

Nedávný vývoj je různorodá spektroskopie pole který kombinuje výhody IFS s multi-objektová spektroskopie (MOS). MOS se používá ke sběru světla z mnoha samostatných objektů v širokém poli. To nezaznamenává prostorové informace - pouze spektrum celkového světla shromážděného v každé vzorkovací cloně (obvykle jádro polohovatelného optického vlákna nebo štěrbinový výřez v masce v ohnisku dalekohledu).

Naproti tomu IFS získává úplné, prostorově rozlišené pokrytí na malém poli. Cíle MOS jsou obecně slabé objekty na hranici detekce, jako jsou pravěké galaxie. Jak se dalekohledy zvětšují, je zřejmé, že tyto mají ve skutečnosti blobovanou a zmatenou strukturu, která vyžaduje, aby pozorovatel pečlivě vybral, které části pole projdou spektrografy, protože není možné kobercovat celé pole jediným obrovským IFU .

DFS je nástrojové paradigma, které umožňuje pozorovateli vybrat libovolné kombinace souvislých a izolovaných oblastí oblohy, aby maximalizoval účinnost sledování a vědecký návrat. Vyvíjejí se různé technologie, včetně robotických výhybek a fotonických optických přepínačů.

Další přístupy

Jiné techniky mohou dosáhnout stejných cílů při různých vlnových délkách. ACIS Pokročilý CCD zobrazovací spektrometr na NASA Chandra X-Ray Observatory je příklad, který získává spektrální informace přímým měřením energie každého fotonu. Tento přístup je při delších vlnových délkách mnohem těžší, protože fotony jsou méně energetické. Pokroku však bylo dosaženo i při optických a blízkých infračervených vlnových délkách pomocí pixelových detektorů jako jsou supravodivé uzly tunelu. Na rádiových vlnových délkách lze s heterodynovými přijímači získat simultánní spektrální informace.

Hyperspektrální zobrazování

Obecněji je integrální polní spektroskopie podmnožinou 3D zobrazovacích technik (také známých jako hyperspektrální zobrazování a 3D spektroskopie). Jiné techniky se spoléhají na generování rozdílu mezi interferujícími paprsky pomocí technik elektromechanického skenování. Mezi příklady patří Fourierova transformace spektroskopie zaměstnává a Michelsonův interferometr rozložení a Fabry-Pérotova interferometrie. Ačkoli, k prvnímu řádu aproximace, jsou všechny takové techniky ekvivalentní v tom, že generují stejný počet prvků rozlišení v a datová trubka (s osami označenými dvouprostorovými souřadnicemi plus vlnovou délkou) ve stejnou dobu nejsou ekvivalentní, když se vezmou v úvahu zdroje hluku. Například skenovací přístroje, i když vyžadují méně nákladné prvky detektoru, jsou neúčinné, když se pozadí mění, protože na rozdíl od IFS není expozice signálu a pozadí prováděna současně. Pro biomedicínskou vědu in vivo studie rovněž vyžadují současný sběr dat.

Reference

  1. ^ „Image Slicer“. Citováno 30. listopadu 2012.
  2. ^ "Kráječ obrázků". Encyklopedie Britannica. Encyklopedie Britannica, Inc. Citováno 30. listopadu 2012.
  3. ^ „CAFE, prostředí CAssegrain Fiber“. Webový manuál pro Gecko. Dalekohled Kanada-Francie-Havaj. Citováno 10. října 2019.
  4. ^ „UVES - ultrafialový a vizuální spektroskop Echelle“. Web ESO. ESO. Citováno 30. listopadu 2012.
  5. ^ Dekker, Hans; D'Odorico, Sandro; Kaufer, Andreas; Delabre, Bernard; Kotzlowski, Heinz (srpen 2000). Iye, Masanori; Moorwood, Alan F. M (eds.). „Design, konstrukce a výkon UVES, echelle spektrografu pro dalekohled UT2 Kueyen na observatoři ESO Paranal“. Sborník SPIE. Optické a IR dalekohledy a detektory. 4008: 534–545. Bibcode:2000SPIE.4008..534D. doi:10.1117/12.395512. S2CID  124137896. Citováno 30. listopadu 2012.
  6. ^ „SAURON - Spektrografická plošná jednotka pro výzkum optických mlhovin“. Citováno 30. listopadu 2012.
  7. ^ Claudi, R. U .; Turatto, M .; Gratton, R. G .; Antichi, J .; Bonavita, M .; Bruno, P .; Cascone, E .; De Caprio, V .; Desidera, S .; Giro, E .; Jsem smutný.; Scuderi, S .; Dohlen, K .; Beuzit, J. L .; Puget, P. (2008). McLean, Ian S; Casali, Mark M. (eds.). „Pozemní a palubní vybavení pro astronomii II“. 7014: 70143E. Bibcode:2008SPIE.7014E..3EC. doi:10.1117/12.788366. S2CID  56213827. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc); | kapitola = ignorováno (Pomoc)
  8. ^ „INTEGRAL: Jednoduchá a přátelská integrální polní jednotka dostupná na WHT“. Skupina teleskopů Isaaca Newtona. Citováno 30. listopadu 2012.
  9. ^ „CALIFA: Průzkum Calar Alto Legacy Integral Field Area“. Průzkum CALIFA. Citováno 10. října 2014.
  10. ^ „SAMI: Overview of the SAMI Survey“. Průzkum SAMI. Citováno 5. března 2014.
  11. ^ „MaNGA: SDSS-III“. Průzkum digitálního nebe Sloan. Citováno 5. března 2014.

Poznámky

externí odkazy