Astronomische Beobachtungstechniken und -Instrumente G. Wiedemann, WS 0809 Infrarot-Detektoren Saturn im IR WS0809 VBeob 2 Germanium: ~ wie Si, aber Bandlücke = 1.8 µm indirekter Halbleiter kein GeO2 durch Oxydieren keine Ge CCDs (keine Mikromechanik, auch wg. schwacher ÄtzAnisotropie) Ge-Transistoren, bis 4 K WS0809 VBeob 3 Kleine Energielücken: 'Doping' durch 'Verunreinigungen' 'impurities' WS0809 VBeob 4 Infrarotdetektion Leitungsband λIR 'impurity band' Si:As Si:Sb 10-6 Valenzband Kühlung ~Egap WS0809 VBeob 5 Einteilung: high flux - low flux Grobe Einteilung nach Anwendung geringe Signale, Hintergrund (wie nachts im Optischen, kurze λ, Spektroskopie) wichtig: geringes Rauschen, hohe QE small well capacity 105 eteure Entwicklung längere Wellenlängen, thermische Strahlung, BreitbandImaging, high well capacity 107 eschnelle Ausleseelektronik erforderlich militärische Entwicklungen Kühlung (Geräte, Detektoren) Wärmebildkameras WS0809 VBeob 6 Strahlungshärte: the BIB Aufbau eines Blocked Impurity Band Detectors elektr. Kontakt Si undotiert Si, hochdotiert , As Dicke ! Substrat BIB -detektor M. Petroff, Maran 'Dutch' Stapelbroek, W. Kleinhans IR Absorption -> hohe Dotierung hohe Dotierung-> Impurity Band Conduction Isolatorschicht (kein Valenzband!) -> Blocked Impurity Band WS0809 VBeob 7 backside-illuminated: BIBIB Vorteil BIB geringes Eigenrauschen macht Beobachtungen möglich, bei denen die Empfindlichkeit nicht mehr durch den Detektor limitiert wird: höhere spektrale Auflösung höhere zeitliche Auflösung 12 µm Spektroskopie auf der Sonne Sonnenoszillationen, T < 5 min SN 1987 A HighResSpektroskopie von Sternen Nachteile BIB: Betrieb bei ~ 10 K, Streu'licht' WS0809 VBeob 8 BIB and more ... ähnliche Verbesserungen gegenüber 'Standard' wie im Optischen: BIBIB: Backside Illuminated BIB SSPM Dünnes Substrat, Schleifspuren im FF Avalanche Region auf IR Detektor, wenige µm dick 7000 V/cm Feld, 50,000 e- /Photon hohe Zeitauflösung nach Freigabe wieder der Geheimhaltung unterworfen ~1988 später: IR-blind, als optischer Detektor vermarktet heute: wieder frei, aber durch bessere BIBs überholt BIB: weiterentwickelt durch Astro-Organisationen (ESO) WS0809 VBeob aktuelle Mitteilung 9 CCDs sind aus Silizium = silicon optische Detektion und Ausleseelektronik benützen die selbe Struktur leichte Herstellung keine differentielle thermische Kontraktion Herstellung:etablierte Methoden aus der Halbleiterfertigung, Mikromechanik: anisotropes Ätzen Photolithographie Strukturierung (Masken) durch Oxidation Herstellungsmethoden nicht für Ge geeignet Si-Multiplexer + IR detektor: hybrid, keine IR CCDs WS0809 VBeob 10 IR Detektoren Direct Readout (wie CMOS) jedes Pixel verbunden mit Ausleseelektronik (unit cell) nach Integration wird pixel auf 'lesen' geschaltet Auslesezeit abhängig von ADC Geschwindigkeit, Zahl der Kanäle etc, Hohe Flexibilität bei Auslesemoden , 'windowed readout' Herstellung : Multiplexer (Si) Detektorfeld, InSb, HgCdTe, As:Si, InGaAs, Ge. Bump-bonding WS0809 VBeob 11 Einheitszelle WS0809 VBeob 12 t- RON Aladdin oder Pentium 3 ? WS0809 VBeob 13 Elektronik für die Astronomie 'Modell' SFD WS0809 VBeob 14 Hybrid Buch S56 WS0809 VBeob 15 WS0809 VBeob 16 Heute InSb 1024 x 1024 -> 2048x 2048 HgCdTe 2k x 2 k -> besser 256 x 256 : 127,000 $ InGaAs 640 x 480 45,000 E WS0809 VBeob 17 Astronomische Beobachtungstechniken und -Instrumente G. Wiedemann, WS 06/07 Zuück zu den Sternen: Spektroskopie Astro-Spektroskopie Was ist ? Was macht man mit ? Was macht man mit Spektroskopie in der Astronomie ? Was macht man mit Spektroskopie im Labor für die Astronomie ? Instrumente für die Spektroskopische Methoden VBeob WS06/07 19 Spektroskopie Messung von I(λ) einer Strahlungsquelle spektrale Energieverteilung Spektrum spektrale Energieverteilung a.k.a. SED spectral energy distribution SED meist für niedrige Auflösung verwendet Spektrum, SED: (E, I, S) als Fkt von λ, ν, ~ ν , E : I(λ), Iλ manchmal verwendet: λ * Iλ, ν* Iν Ortsinformation : I(λ,α,δ) abbildende Spektroskopie, imaging spectroscopy spectral, spectroscopic imaging VBeob WS06/07 20 Spektroskopie: Variationen über 1 Thema dispersiv, multiplex, IFU ... Filter, Fabry-Perot : Abbildungen, R : δλ, ∆λ: sequentiell, 'Datacube' multi-channel FP multiplex: FTS , FP: Trennung durch Interferenz, nicht räumlich, dispersiv: räumliche Trennung der Wellenlängen von 1 Punkt : Prismen, Gitterspektroskopie VBeob WS06/07 1 dim λ, 1 dim x, 2D Bild sequentiell integral-field spectroscopy: 21 genaue Messung von Spektrum & SED Spektroskopie erfordert spektrophotometrische Eichung, meist durch Vergleich mit Standardsternen. Dabei wird Empfindlichkeitskurve ('response curve) von Teleskop + Instrument + Detektor bestimmt. Auch atmosphärische Extinktion muß berücksichtigt werden. Messung von Spektren ohne Ansprüche an die Photometrie: Vergleichsmessungen der Transmission der Atmosphäre usw notwendig: Strahlungsquellen: Sterne ohne Linien, Mond, Sonne bei 2 untersch. Zenitdistanzen VBeob WS06/07 22 Spektrale Energieverteilung eines Sterns VBeob WS06/07 23 Spektrum VBeob WS06/07 24 Spektrum, hochaufgelöst VBeob WS06/07 25 Informationsgehalt Observable Spektrale Energieverteilung: Farben-> Temperatur Sternklassifikation Identifizierung L, T -Zwerge etc Altersbestimmung (aus theoret. Entwicklungskurven) Staub, PAHs IR exzess: Scheiben VBeob WS06/07 β Pic, Vega 26 Informationsgehalt eines Spektrums Kontinuumsniveau nötig für detaillierte Analyse, aber wichtiger sind oft die Linien Linienpositionen (λ) Linienprofilform Linienstärken VBeob WS06/07 27 Informationsgehalt eines Spektrums Linienpositionen (∆E, λ) und Übergangswahrscheinlichkeiten (Aij) für die meisten Übergänge aus der QM bekannt Labormessungen Eisen-Projekt machmal: astronomische Messungen helfen bei Charakterisierung der Atome, Moleküle Beobachtet werden veränderte Positionen scheinbare Verschiebungen durch Komponenten-'blending' Messung (z.B. inLuft) Gravitations-rotverschiebung (Sonne 656 m/sec) kosmologische Rotverschiebung Druckverschiebung Starck-Effekt, Zeeman Doppler VBeob WS06/07 28 Linienfrequenzmessungen Erfolgreiche Messung und richtige Interpretation ermöglicht: Identifikation der Spezies, Isotope Schwerkraft (sehr schwierig) kosmologische Entfernung Druck, Temperatur (über Linienverbreiterung) Magnetfeld Radialgeschwindigkeiten VBeob WS06/07 29 Linienprofile QM, Unschärferelation, Fourieranalyse: Linienprofil eines Übergangs mit endlicher Lebensdauer τ: Lorentzprofil mit Dämpfungskonstante δ ~1/τ 'natürliche' Linienbreite FWHM = δ / 2 π (auch aus Unschärferel.) Druckverbreiterung: Verkürzung der Lebensdauern durch Stoßabregung Dopplerverbreiterung -> Gaussfunktion Wenn keiner der Effekte vernachlässigbar-> Faltung Gauss * Lorentz-> Voigtprofil VBeob WS06/07 30 Linienprofile Faltung Gauss * Lorentz-> Voigtprofil keine analytische Darstellung Linienprofile in der Praxis durch Strahlungstransport in den Medien gegeben Problem! VBeob WS06/07 31 Linienstärken Linienstärke: S λ~ Aij * n * l * g *e-(E/kt) * Φ(λ) Einsteinkoeffizient Dichte Weglänge statistisches Gewicht Besetzungswahrscheinlichkeit, Boltzmann-Faktor Linienprofil VBeob WS06/07 32 und wieder: Linienstärken in der Praxis durch Strahlungstransport in den Medien gegeben Wie bestimmen wir die physikalischen Größen in den Medien? Wir messen ein Spektrum Wir machen ein Modell Die Atomphysik muß bekannt sein Wir wenden die physikalischen Gesetze an und berechnen ein Spektrum unseres Modells: Linienpositionen, -stärken,-profile drehen solange an den Modellparametern (T,P,v, ε, machmal auch Atomparametern), bis theoretisches und gemessenes Spektrum (ausreichend) übereinstimmen. VBeob WS06/07 33 tall order: Spektrum der Sonne VBeob WS06/07 34 Spezielle Anwendung: Planeten um andere Sterne Problem: heller Stern , lichtschwacher Planet, geringer Abstand Idee: Trennung anhand der spektralen Eigenschaften Kontrast 10-4 Sternspektren nicht so genau bekannt Planeten: räumlich getrennt Doppler-verschoben beides Transitspektroskopie Eklipsespektroskopie VBeob WS06/07 35 Informationsgehalt/Observable Spektrale Energieverteilung (spectral energy distribution, SED) Linienpositionen Linienstärken Linienprofilform VBeob WS06/07 • Mögliche Ursachen für Verschiebung von Linien relativ zur Laborwelllenlänge λ0: • Radialgeschwindigkeit des Sterns und/oder der Erde • Konvektion • Isotopieverhältnis 36 Endlich Astronomie: Doppler-Spektroskopie Spektroskopie zur Bestimmung von Geschwindigkeiten , vorwiegend über den Doppler-Effekt: kosmologische Expansion Galaxiendynamik,-rotation Sternrotation Doppelsterne Konvektion auf der Sonne Planeten um andere Sterne VBeob WS06/07 37 Spectroscopic binaries Double lined spectroscopic binaries (DLSBs): Absorptionslinien beider Komponenten sichtbar Single-lined spectroscopic binaries (SLSBs): Absorptionslinien nur einer Komponente sichtbar, und diese zeigen periodische Wellenlängenverschiebungen. VBeob WS06/07 38 Konvektion der Sonne Courtesy Stellar Physics Group, Astrophysikalisches Institut Potsdam (AIP) VBeob WS06/07 imaging spectroscopy ! 39 Linienentstehung in der Sonne VBeob WS06/07 40 Line shifts VBeob WS06/07 41 Informationsgehalt/Observable Spektrale Energieverteilung (spectral energy distribution, SED) Linienpositionen Linienstärken • Kann mit sogennanten line Linienprofilform bisectors gemessen werden, aber auch z.B. durch Spektrumssynthese VBeob WS06/07 42 Line bisectors VBeob WS06/07 43 Line asymmetries VBeob WS06/07 44 Rotation Betrachte starre Rotation mit einer Winkelgeschwindigkeit ω um eine Achse senkrecht zur Beobachungsrichtung. vmax sei der Betrag des Geschwindigkeitsvektors am Äquator. Bei konstanter Flächenhelligkeit über das gesamte Sternscheibchen gilt dann für die pro Wellenlängenelement dλ abgestrahlte Energie E(λ): E λ dλ= VBeob WS06/07 2c E ges π v max λ 0 c2 2 1− Δλ dλ 2 λ 0 v max 45 Rotationsprofile VBeob WS06/07 46 Prinzipien der Spektroskopie VBeob WS06/07 47 Spektrale Auflösung VBeob WS06/07 48 Wellenlängenkalibration Erfolgt in der Regel durch Aufnahme eines Vergleichsspektrums mit der gleichen Spektrographenkonfiguration. Je nach spektraler Auflösung werden z.B. Helium-Argon-, Neon-Argon- oder Thorium-Argon-Lampen benutzt. Prozedur: 1. 2. 3. Linien im aufgenommenen Spektrum identifizieren x-Positionen messen => Wertepaare (x, λ) Anfitten eines Polynoms n-ter Ordnung VBeob WS06/07 49 Helium-Argon-Spektrum VBeob WS06/07 50 Thorium-Argon Spektrum VBeob WS06/07 51 Thorium-Argon Spektrum VBeob WS06/07 52 Himmelsspektrum Zur Kontrolle kann das Himmelsemissionslinienspektrum heran gezogen werden m(AB) = –2.5 log (f) – 48.60, where f is in cgs units, i.e., erg s–1 cm–2 Hz–1 VBeob WS06/07 53 Flexure Potentielles Problem bei nicht fest montierten Spektrographen (d.h. z.B. am CassegrainFokus): Flexure, d.h. verbiegen des Spektrographen unter seinem eigenen Gewicht bei Änderung der Lage. Konsequenz: Vergleichsspektrum muss an der Himmelsposition aufgenommen werden, an der sich das Target befindet. VBeob WS06/07 54 Spezielle Techniken VBeob WS06/07 55 Echelle spectroscopy VBeob WS06/07 56 Ultraviolet and Visual Echelle Spectgrograph UVES/VLT-UT2 VBeob WS06/07 57 HARPS High Accuracy Radial velocity Planet Searcher; R=120,000 Installiert am ESO 3.6m-Teleskop (La Silla) 200 Nächte pro Nacht sind für Suche nach Exo-Planeten reserviert VBeob WS06/07 58 Iodine cells VBeob WS06/07 59 Iodine cells Hochpräzise Radialgeschwindigkeitsmessungen (z.B. bei Suche nach Exo-Planeten) erfordern gleichzeitige Beobachtung von Target- und Vergleichsspektrum Licht wird durch eine durchsichtige, geheizte Zelle geleitet, in der Iod verdampft wird Absorptionsspektrum von I2 sehr linienreich Erzielbare Genauigkeit von hochaufgelöster Spektroskopie (R > 100,000) mit Iod-Zelle und thermisch stabilisiertem Spektrographen: Einige Meter pro Sekunde! Zum Vergleich: Das entspricht der Geschwindigkeit einer schnellen Armbewegung. VBeob WS06/07 60 HARPS iodine cell VBeob WS06/07 61 Iodine cell spectrum VBeob WS06/07 62