Spectroscopie de câmp integrat

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Tehnica spectroscopiei de câmp integral (IFS, Integral Field Spectroscopy) este o tehnică spectroscopică care permite descompunerea unei „ imagini astronomice în dimensiunile sale spațiale ( ascensiune dreaptă și declinare ) și dimensiunea sa spectrală ( lungimea de undă ) prin segmentarea și ulterior dispersarea acestor secțiuni (de obicei în porțiuni dreptunghiulare) cu un spectrograf pentru a obține informații spectroscopice detaliate ale obiectului astronomic observat. [1]

Lumina obținută din obiecte spațiale discrete din câmpul vizual este dispersată [2] prin refracție și o imagine a sursei este dobândită la fiecare lungime de undă și (echivalent) este capturat un spectru pentru fiecare punct din spațiu [3] .

Principiul de bază al spectrografului de câmp integral.
Principiul de bază al spectrografului de câmp integral. Imaginea planului focal al telescopului este disecată de o serie de oglinzi, fiecare dintre ele direcționând lumina către un element de împrăștiere pentru a reproduce un spectru cu fante lungi din fiecare felie pe un detector. Prelucrarea conductei recompune apoi spectrele într-un cub de date tridimensional (matrice de date) format din imagini ale sursei la fiecare lungime de undă.

Această tehnică oferă un set remarcabil de date care permite studierea caracteristicilor unei largi varietăți de surse astronomice, inclusiv galaxii , nebuloase și câmpuri stelare aglomerate, permițând producerea de hărți spațiale eficiente cu cantități spectroscopice, cum ar fi cinematica stelară , mișcarea gazelor galactice [4 ] sau distanțele relative dintre galaxii din același câmp vizual. [5] IFU-urile sunt utilizate pe scară largă în teledetecția terestră și, mai precis, pentru prognoza meteo și monitorizarea dezastrelor naturale și a schimbărilor climatice .

În plus, unitățile de câmp integral IFU (hardware-ul care segmentează planul focal înainte de a-l trimite la spectrograf) depășesc unele limitări ale spectroscopiei simple și reduc necesitatea unor proceduri complicate de achiziție a obiectelor cerești și oferă o estimare mai bună a structurilor. fundal care înconjoară obiectul de interes astrofizic (de exemplu o galaxie în fundalul unui obiect vizat de studiu).

IFS depășește unele dezavantaje tipice spectroscopiei tradiționale cu fante lungi . Acestea includ utilizarea inadecvată a luminii incidente atunci când obiectul este extins, fie inerent, fie din cauza vizibilității slabe și, prin urmare, a contrastului scăzut, și suferă de pierderi de fante dependente de lungimea de undă datorate refracției atmosferice diferențiale (DAR). În aceste cazuri, este esențială capacitatea de a testa un spectru din ambele extreme spațiale ale unui obiect extins. Acest lucru nu se poate face cu o fantă lungă (cu excepția rotirii telescopului și înregistrarea expunerilor separate pentru fiecare poziție și avansarea fantei prin țintă, ceea ce este absolut ineficient în termeni de timp); de aici și nevoia de IFS.

Practic, instrumentele IFS sunt optimizate pentru utilizare în roșu optic și în infraroșu apropiat , datorită unui număr de factori tehnici și limitări. În primul rând, în prezent este dificil să se producă o fibră optică (utilizată în proiectarea IFS) care transmite lumina albastră, la o frecvență mai mare, într-un mod eficient; în al doilea rând, deoarece tehnica de tăiere a imaginii folosește doar oglinzi care sunt inerent acromatice și pot fi ușor răcite, prin urmare potrivite pentru infraroșu. În plus, tehnologia actuală a opticii active este mai eficientă la lungimi de undă mai mari, unul dintre motivele pentru care telescoapele optice moderne mari sunt optimizate preponderent pentru lungimi de undă apropiate de infraroșu.

Principiul de funcționare

3 metode tipice de eșantionare
Cele trei 3 metode de eșantionare de către IFU a unei imagini astronomice; cu matrice de microlentile, pachete de fibre optice (cu sau fără cuplare matricială) și feliator (secționarea imaginii)

Într-un IFU, imaginea sursă este segmentată de un circuit optic dedicat; aceste segmente sunt aliniate pe rețeaua sau prisma unui spectrograf și apoi eșantionate individual pentru a forma o matrice de date în care sunt reprezentate dimensiunile spațiale și dimensiunea spectrală a obiectului astronomic observat. Aceste matrice de date 3D sau cuburi ( Datacubes ) pot fi utilizate pentru a studia surse a căror compoziție și densitate chimică este semnificativ variabilă în spațiu, cum ar fi cinematica gazelor , cinematica stelară , regiunile H II , evoluțiile galactice cu redshift ridicat, chimia compoziției, zonele ionizate și multe altele în general, obiecte îndepărtate.

Tipuri de unități de câmp integrale

Un spectrograf domeniu integral este format din două componente: un spectrograf și o unitate de câmp integral (IFU), concepute pentru a proba imaginea de intrare într - o secvență de blocuri consecutive de date ce definesc coordonatele spațiale ale punctelor individuale. Blocurile de date sunt procesate ulterior de către unitatea spectrografică. IFU-urile se disting în funcție de metoda de eșantionare: [6]

Lenset Array IFU

IFU-urile bazate pe tehnica Lenslet Array [7] disecă imaginea astronomică și utilizează microlentile pentru a mări în continuare fiecare punct. Semnalul care iese din fiecare lentilă este apoi difractat și eșantionat de un detector. Sistemele cu matrice de lentile au avantajul de a avea un factor de umplere ridicat , dar sunt capabile să probeze o lungime de undă scurtă, pentru a evita suprapunerea spectrelor din regiunile spațiale contigue [8] . Printre instrumentele care utilizează tehnologia Array Lenset se numără instrumentul TIGER al telescopului CFH , primul [9] instrument care utilizează această tehnologie și SAURON [10] al telescopului Isaac Newton .

Schema unui IFU microlentil cu fibră optică
Diagrama unui microlentil IFU cu fibră optică

Fibra IFU (cu sau fără microlentile)

Unitățile cu câmp complet de fibră utilizează pachete de fibră optică pentru a transfera datele de imagine care trebuie prelevate de la planul focal al telescopului la spectrograf. Principalul avantaj al acestei tehnici este că spectrograf poate fi decuplată de telescop, deci există mai puține constrângeri legate de proiectarea, greutatea și rigiditatea tehnicii din fibre instalație.Esența adecvată în special pentru efectuarea măsurătorilor de înaltă precizie ale vitezelor radiale . (cercetare exoplanetară ). IFU-urile din fibră pot conține, de asemenea, sute până la mii de linii individuale. Un dezavantaj în comparație cu alte tehnici este un factor de umplere mai mic datorită numărului finit și limitat de fibre și pierderii de informații datorită formei circulare a cablului de fibră. În plus, proprietățile de transmisie ale fibrelor optice limitează intervalul de lungimi de undă care pot fi prelevate [8] . Printre instrumentele și investigațiile care utilizează IFU-uri cu fibră se numără MaNGA [11] pentru Sloan Digital Sky Survey IV, VIMOS [12] instalat pe VLT , INTEGRAL [13] pe telescopul Herschel și HARPS [14] instalat pe telescop de la 3,6 metri din ESO .

Slicer de imagine IFU

Tehnica utilizată în aceste IFUs, mai recent decât celelalte, este optimă în spațiu și criogenice medii și utilizează un sistem de rectangulare acromatice oglinzi pentru a diviza (feliator) imaginea în mai multe segmente învecinate (felii), minimizarea dispersiei optice . Tehnica de tăiere a imaginii [15] este limitată în prezent la frecvențe apropiate de infraroșu . Printre instrumentele care utilizează Image slicer de tip IFU se numără NIFS [16] ale telescopului Gemini Nord , SINFONI la VLT , MIRI și NIRSpec instalate pe telescopul James Webb . Unitățile de tip Image Slicer nu pot fi implementate pe sisteme pe distanțe lungi și trebuie plasate adiacent elementelor de dispersie ale spectrografului

Datacube și spectroscopie 3D

Spectroscopia 3D a studiat obiectele cerebrale spectroscopice observate într-un câmp vizual bidimensional. Observațiile produc o matrice de date ( Datacube ) în trei dimensiuni: două axe spațiale (X, Y sau AR și Dec ) și una spectrală ( ? ). [17]

Spectroscopia de câmp integrat este un tip de spectroscopie 3D în care toate datele sunt obținute simultan fără a mai fi nevoie de alte observații, spre deosebire de alte metode, cum ar fi interferometria Fabry-Perot (FPI) sauspectroscopia transformată Fourier (IFTS) care utilizează domeniul timpului pentru a obține lungimea de undă (corespunzătoare culorii). Acest lucru le face potențial sensibile la variațiile intrinseci ale instrumentului de observare (cum ar fi variațiile de temperatură sau instabilitățile mecanice) sau la variațiile meteorologice, dar în același timp permit acoperirea unui câmp vizual larg cu un singur obiectiv. Dimpotrivă, spectroscopia de câmp integral (IFS) codifică toate informațiile spectrale și spațiale din unitatea unică de timp, transformând lungimea de undă a semnalului (intensitatea culorii observate a fiecărui punct) într-o dimensiune spațială.

Datacube obținut cu instrumentul MUSE de pe telescopul foarte mare al ESO
Datacube obținut cu instrumentul MUSE de pe telescopul foarte mare ESO al galaxiei NGC 4650A

Prin IFS, semnalul fiecărei celule sau pixel al câmpului vizual este trimis către un spectrograf, care apoi

Imagine compusă a NGC 4650A. a treia dimensiune este obținută din spectrograf, care împarte lumina în diferitele sale culori sau lungimi de undă
Imagine compusă a NGC 4650A , o galaxie cu inel polar de 130 milioane al . A treia dimensiune (adâncimea) este obținută din spectrograf, care împarte lumina în diferitele sale culori sau lungimi de undă

generează un spectru pentru fiecare pixel individual. Spectrele rezultate sunt aranjate într-un software datacube (matrice de date) (vezi fig. În stânga) care conține imaginea eșantionată 2D plus a treia dimensiune obținută de la spectrograf, care descompune lumina în diferitele sale culori sau lungimi de undă (vezi fig. . pe dreapta).

Prima utilizare a unui IFU a fost făcută în 1987 cu instrumentul TIGER instalat pe telescopul Canada-Franța-Hawaii (CFHT) de 3,6 metri de pe Muntele Mauna Kea , Hawaii. [18]

Notă

  1. ^ (EN) Integral Field Units , pe eso.org, eso.org. Adus la 22 iulie 2018 .
  2. ^ Spectrometrie ( PDF ), pe dmf.unicatt.it . Adus la 25 iulie 2018 .
  3. ^ (RO) Introducere în spectroscopie IFU , pe stsci.edu. Adus la 22 iulie 2018 (Arhivat din original la 9 mai 2019) .
  4. ^ MUSE dezvăluie True Story of a Galactic Clash , pe eso.org , 10 noiembrie 2014. Accesat la 24 iulie 2018 .
  5. ^ Privire tridimensională în adâncurile universului , pe eso.org , 26 februarie 2015.
  6. ^ (EN) Tehnici instrumentale utilizate pentru realizarea IFS , pe ifs.wikidot.com/, 22 iulie 2018.
  7. ^ David Lee .
  8. ^ a b Spectroscopie 3D , pe na.astro.it . Adus la 22 iulie 2018 .
  9. ^ (EN) Sergio G. Leon Saval și colab., The Photonic TIGER: un spectrograf multicore alimentat cu fibre (PDF), în arxiv.org. Accesat la 5 octombrie 2018 .
  10. ^ (RO) Proiectul SAURON pe ing.iac.es, 13 decembrie 2010.
  11. ^ (EN) Cartarea galaxiilor din apropiere la APO (manga) , pe sdss.org. Adus la 22 iulie 2018 .
  12. ^ (EN) Spectrograf vizibil cu mai multe obiecte , pe eso.org. Adus la 22 iulie 2018 .
  13. ^ ( ES ) Spectrograf INTEGRAL , pe ing.iac.es. Adus la 22 iulie 2018 .
  14. ^ (RO) Precizie ridicată Viteză radială Planet Searcher , pe eso.org. Accesat la 5 octombrie 2018 .
  15. ^ (EN) S. Vives și colab., Noi dezvoltări tehnologice în ectroscopie Integral Field Sp (PDF) pe winlight-system.com. Adus la 5 octombrie 2018 (Arhivat din original la 12 august 2017) .
  16. ^ (EN) Gemini Observatory: instrument NIFS , pe gemini.edu. Accesat la 5 octombrie 2018 .
  17. ^ (RO) Ce este IFS? , pe ifs.wikidot.com . Adus la 25 iulie 2018 .
  18. ^ Bacon .

Bibliografie

Elemente conexe

linkuri externe

Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Integral_field_spectroscopy&oldid=111700625 ”