Espectrógrafo estelar del Observatorio UCM

Transcripción

1 . Física de la Tierra, Astronomía y Astrofísica II (Astrofísica y CC. de la Atmósfera) Universidad Complutense de Madrid Espectrógrafo estelar del Observatorio UCM Alvaro Hacar González Proyecto para Beca de Colaboración en el Curso Septiembre de 2006

2 1. Antecedentes 1.1. Introducción Durante el curso Antonio Ugarte realizó, dentro de su Trabajo Académicamente Dirigido por el prof. Jaime Zamorano, diseñó y construyó, con ayuda del Centro de Asistencia a la Investigación (Talleres), un espectrógrafo estelar para ser usado con los telescopios del Observatorio UCM. Su correcto funcionamiento ha sido comprobado durante varias noches de observación. En las figura siguiente pueden observarse los espectros obtenidos en una de estas observaciones. Figura 1 Diversos espectros estelares, de la Nebulosa de Orión y del Cometa Ikeya-Zhang. Los beneficios de este instrumento para la docencia y la divulgación son enormes. Sin embargo, la adaptación del espectrógrafo al telescopio es complicada resultando en un proceso laborioso que necesita demasiado tiempo hasta que el instrumento está listo para ser usado. Ya que el espectrógrafo no puede ser dejado fijo en el telescopio por ser éste usado con otros instrumentos para diversas prácticas, necesitamos modificar su diseño para facilitar su uso. Además, el peso del espectrógrafo dificulta el apuntado del telescopio ya que éste debe cargar con el espectrógrafo al estar colocado en el foco cassegrain Descripción del espectrógrafo El espectrógrafo estelar se sujeta al telescopio mediante un barrilete de 2 pulgadas (A). La luz del objeto a estudiar se introduce a través de él en el instrumento, incidiendo sobre un espejo (B) colocado a 45 o, de modo que refleja la luz que saldrá a través del portaoculares (C). Este espejo tiene una pequeña perforación que servirá como rendija de entrada al espectrógrafo. En el portaoculares se coloca un pequeño microscopio formado por un objetivo de microscopio y un ocular que permitire centrar la estrella en la perforación del espejo a lo largo de la exposición. Esta perforación tiene un diámetro de unas 400µm, demasiado grande para su utilización como rendija, por lo que tras el espejo se ha colocado dos cuchillas

3 delgadas que reducen esta abertura a menos de 100µm. Tras atravesar la rendija el haz de luz se dirige al colimador (D), que es un doblete acromático de 100 mm de focal que se utiliza a f/10, la relación focal del telescopio. Este colimador hace que los rayos de luz emerjan paralelos y se dirijan a la red de difracción (E). La red está montada sobre un sistema giratorio que mediante un tornillo (F) permite al observador seleccionar la banda espectral deseada. Una vez dispersada la luz por la red de difracción, es enfocada por un objetivo de 50 mm f/2.8 (G) sobre el chip de la CCD (H) que captura la imagen del espectro. Figura 2 Esquema del spectrógrafo estelar y trazado de rayos. Figura 3 Vista interior y espectrógrafo estelar instalado en el telescopio.

4 1.3. Resultados del curso Durante el curso Juan Cabrera Pérez y Emmanuel Aller Carpentier disfrutaron de sendas becas de colaboración dirigidas por el prof. Zamorano con el fin de solucionar estos problemas. Para verificar el estado del espectrógrafo y conocer bien sus características, en un primer paso se tomaron espectros de lámparas y de Venus comprobando los problemas de enfoque y el funcionamiento del detector CCD. Hubo que actualizar el software (el que venía con la cámara no funcionaba bajo windows xp y se obtuvo de la página del fabricante la última versión). También se recopiló información en internet sobre espectrógrafos, fibras ópticas y trabajos similares realizados en otros centros de investigación. Se realizó un estudio exhaustivo de las mejoras que pueden realizarse en el espectrógrafo y, en particular, de su alimentación a través de una fibra óptica. Tras decidir el tipo de fibra y los conectores necesarios para la adaptación se adquirieron ambos. Algunas operaciones con la fibra pudieron ser realizadas en nuestros laboratorios como, por ejemplo, su inserción en la funda protectora. Sin embargo el pulido de los extremos es un proceso delicado para el que necesitamos ayuda. Tras contactar con distintos grupos especializados en fibras ópticas y hacer pruebas, se pidió ayuda nuestros colaboradores en Alemania que ya nos proporcionaron la fibra y asistencia técnica para su manejo. En estos momentos disponemos ya de la fibra montada. Los dispositivos de adaptación fibra-espectrógrafo y fibra-telescopio han sido diseñados. Éste último es más complicado ya que necesita incorporar un sistema de apuntado y guiado. Los planos se encuentran en el CAI de Talleres de Asistencia a la Investigación de la UCM donde han terminado su elaboración y se encuentran realizando ajustes. Figura 4 La pieza de adaptación con la fibra colocada y detalle del interior Resultados del curso Durante el curso pasado Juan Carlos Muñoz Mateos realizó durante su Beca de Colaboración numerosas mejoras que se detallan a continuación. Con el diseño original del espectrógrafo estelar resultaba complicado acoplarlo al telescopio, dado su elevado peso. Por ello, durante los cursos siguientes se diseñó un sistema para guiar la luz del objeto de interés mediante una fibra óptica desde el plano focal del telescopio hasta el espectrógrafo. Durante este curso se ha puesto a punto el sistema de fibra óptica. El taller entregó las dos piezas que habían sido diseñadas: una para acoplar un extremo de la fibra al telescopio, situando el extremo de ésta en su plano focal, y otra para colocar el segundo extremo de la fibra en el foco de la lente colimadora del espectrógrafo que ha sido sustituida por otra de menor distancia focal, para así aprovechar al máximo el cono de luz que emerge de la fibra.

5 Por otro lado, fue necesario reducir las dimensiones de la pieza que acopla el segundo extremo de la fibra para permitir un mejor ajuste de la misma. Se incluyeron cuatro pequeños muelles que hacen posible un enfoque fino. Para lograr dicho enfoque se usó el método de autocolimación: situando un espejo plano de una superficie tras la lente colimadora, se iluminó ésta por su extremo libre con una lámpara fluorescente. La luz emitida por el otro extremo es devuelta nuevamente a la fibra por el conjunto lente+espejo. Ajustando los tornillos fue posible enfocar la imagen de retorno sobre el cabezal de la fibra. Para facilitar el posicionamiento de la pieza de sujeción y fijarla definitivamente se construyeron seis escuadras de aluminio que convenientemente situadas actuaban a modo de raíles. Una vez colocado el extremo de la fibra en el plano focal de la lente colimadora, se procedió a ajustar la red de difracción y la lente proyectora para enfocar correctamente el espectro sobre el detector. Dada la elevada corriente de oscuridad que presenta el detector, sus numerosos píxeles calientes y el elevado tiempo de lectura, esta operación resultó ser bastante lenta y complicada Resultados del curso Figura 5 El sistema completo con el espectrógrafo, adaptador de la fibra, webcam de adquisición, detector y el ordenador que los controla. En la pantalla se observa un espectro obtenido de una lámpara de calibración. Durante el curso Patricia Nevado consiguió finalizar el sistema de guiado que permite observar mediante un ocular el campo celeste donde se encuentra la estrella cuyo espectro se está tomando. Las imágenes de adquisición se registran con una cámara web Philips TouCam. Por otro, sustituyó el detector CCD por otro de mejores características: una cámara Meade DSI. Ambas cámaras se controlan con un ordenador portátil al que están conectados mediante programas de control. Las primeras pruebas en el telescopio resultaron altamente satisfactorias.

6 Figura 6 Espectrógrafo funcionando en el telescopio. Izquierda: caja de adquisición con la webcam. Se observa la fibra óptica de color naranja. Derecha: Espectrógrafo y ordenador que controla el detector y la webcam. 2. Objetivos El objetivo fundamental es realizar las pruebas en el telescopio observando estrellas de diferentes tipos espectrales. Se elaborará un catálogo de espectros estelares y un manual de uso, dejándolo dispuesto para utilizar en las prácticas de las asignaturas de Astrofísica. 3. Horario de trabajo Para el desarrollo del trabajo propuesto, distribuiré durante el período lectivo las quince horas semanales que se exigen en la convocatoria de la beca, de forma compatible con mis actividades docentes. El Consejo de Departamento avaló y evaluó con... puntos el presente proyecto. Madrid a 6 de octubre de 2006