Integral fältspektrograf

Integralfältspektrografer (IFS) kombinerar spektrografiska och avbildningsfunktioner i de optiska eller infraröda våglängdsdomänerna (0,32 μm – 24 μm) för att från en enda exponering få rumsligt upplösta spektra i en tvådimensionell region. Denna teknik, som först utvecklades för att studera astronomiska föremål, används nu även inom många andra områden, såsom biomedicinsk vetenskap och jordfjärranalys, vanligtvis under namnet snapshot hyperspektral avbildning .

Logisk grund

Med det anmärkningsvärda undantaget för enskilda stjärnor, är de flesta astronomiska objekt rumsligt upplösta av stora teleskop [Figur JWST måttligt djup exponering]. För spektroskopiska studier skulle det optimala då vara att få ett spektrum för varje rumslig pixel (kallas ofta en spaxel i IFS-jargongen) i instrumentets synfält och få fullständig information om varje mål. Detta kallas löst en datakub från dess två rumsliga och en spektrala dimensioner. Eftersom både synliga laddningskopplade enheter (CCD) och infraröda detektormatriser (aka Starring Arrays) som används för astronomiska instrument endast är tvådimensionella, är det en icke-trivial bedrift att utveckla spektrografiska system som kan leverera 3D-datakuber från utdata från 2D-detektorer. Sådana instrument döps vanligtvis till 3D-spektrografer inom det astronomiska området och hyperspektrala avbildare i de icke-astronomiska. 3D-spektrografer (t.ex. skanning av Fabry-Perot , Fourier-transformspektrometer ) använder ofta tid som den tredje dimensionen, och utför antingen spektral eller rumslig skanning för att bygga sina datakuber. Integralfältspektrografi (IFS) hänvisar till den delmängd av 3D-spektrografer som istället levererar en datakub från en enda exponering.

En stor fördel med IFS-metoden för markbaserade teleskopobservationer är att den automatiskt tillhandahåller homogena datamängder trots den oundvikliga variationen i jordens atmosfäriska transmission, spektralemission och bildsuddighet under exponeringar. Detta är inte fallet för skannade system för vilka datakuberna är byggda av en uppsättning på varandra följande exponeringar. IFS, vare sig det är mark- eller rymdbaserat, har också den enorma fördelen att detektera mycket svagare objekt i en given exponering än skanningssystem, om det är till priset av en mycket mindre himmelfältarea.

Efter en långsam start från slutet av 1980-talet och framåt har integrerad fältspektroskopi blivit ett vanligt astrofysiskt verktyg i de optiska till mellaninfraröda områdena, och adresserar en hel skala av astronomiska källor, i princip vilket litet individuellt objekt som helst från solsystemets asteroider till långt avlägsna galaxer.

Metoder

Integralfältspektrografer använder så kallade Integral Field Units (IFU) för att omformatera det lilla kvadratiska synfältet till en mer lämplig form, som sedan sprids spektralt av en gitterspektrograf och registreras av en detektoruppsättning. Det finns för närvarande tre olika IFU-smaker, som använder en linsuppsättning, en fiberuppsättning respektive en spegeluppsättning.

Animation som visar galaxen NGC 7421 med MUSE- data. Animationen visar efterföljande skivor av kvävelinjen, som emitteras av stjärnbildande regioner . Animationen börjar med en bild med en mer blå våglängd och fortsätter med en mer röd våglängd. På grund av rotation är emissionslinjerna mindre rödförskjutna på vänster sida.

Lenslet array

En förstorad himmelbild matar en minilinsuppsättning, vanligtvis några tusen identiska linser vardera ~ 1 mm i diameter. Linslets array-utgång är ett vanligt rutnät med lika många små teleskopspegelbilder, som fungerar som ingång för en multi-slit-spektrograf som levererar datakuberna. Detta tillvägagångssätt förespråkades i början av 1980-talet, med de första linsbaserade optiska TIGER IFS-observationerna 1987.

Fördelar är 100 % rumslig fyllning på himlen när du använder en fyrkantig eller hexagonal linsform, hög genomströmning, exakt fotometri och en lättbyggd IFU. En betydande nackdel är den suboptimala användningen av värdefulla detektorpixlar (~ 50 % förlust åtminstone) för att undvika kontaminering mellan intilliggande spektra.

Instrument som SAURON på William Herschel-teleskopet och SPHERE IFS-delsystemet på VLT använder denna teknik.

Fiberuppsättning

Himmelsbilden som ges av teleskopet faller på en fiberbaserad bildskärare. Den är vanligtvis gjord av några tusen fibrer vardera ~ 0,1 mm i diameter, med det kvadratiska eller cirkulära inmatningsfältet omformaterat till en smal rektangulär (långslitsliknande) utgång. Bildskivans utdata kopplas sedan till en klassisk långslitsspektrograf som levererar datakuberna. En skydemonstrator genomförde framgångsrikt den första IFS-observationen någonsin 1980. Den följdes av det fullfjädrade optiska SILFID-instrumentet cirka 5 år senare. Kopplingen av de cirkulära fibrerna till en kvadratisk eller hexagonal linsarray ledde till bättre ljusinjektion i fibern och en nästan 100 % fyllnadsfaktor av himmelljus.

Fördelar är 100 % rumslig fyllning på himlen, en effektiv användning av detektorpixlar och kommersiellt tillgängliga fiberbaserade bildskärare. Nackdelar är den betydande ljusförlusten i fibrerna (~ 25%), deras relativt dåliga fotometriska noggrannhet och deras oförmåga att arbeta i en kryogen miljö. Det senare begränsar våglängdstäckningen till < 1,6 μm.

Denna teknik används av instrument i många teleskop (som INTEGRAL vid William Herschel-teleskopet ), och särskilt i för närvarande pågående stora undersökningar av galaxer, som CALIFA vid Calar Alto Observatory , SAMI vid Australian Astronomical Observatory och MaNGA som är en av undersökningarna som utgör nästa fas av Sloan Digital Sky Survey .

Spegelarray

Himmelbilden som ges av teleskopet faller på en spegelbaserad skärmaskin, vanligtvis gjord av ~30 rektangulära speglar, 0,1-0,2 mm breda, med det kvadratiska inmatningsfältet omformaterat till en smal rektangulär (långslitsliknande) utgång. Skivmaskinen kopplas sedan till en klassisk långslitsspektrograf som levererar datakuberna. Den första spegelbaserade skäraren nära infraröd IFS 3D/SPIFFI fick är det första vetenskapliga resultatet 2003. Systemet för nyckelspegelskärare förbättrades snabbt avsevärt under kodnamnet Advanced Imaging Slicer.

Fördelar är hög genomströmning, 100 % rumslig fyllning på himlen, optimal användning av detektorpixlar och förmågan att arbeta vid kryogena temperaturer. Å andra sidan är det svårt och dyrt att tillverka och anpassa, speciellt när man arbetar i den optiska domänen med tanke på de strängare specifikationerna för optiska ytor.

Status

IFS används för närvarande i en eller annan variant på många stora markbaserade teleskop, i de synliga eller nära infraröda domänerna, och även på vissa rymdteleskop, särskilt på JWST i de nära och mellersta infraröda domänerna . Eftersom den rumsliga upplösningen för teleskop i rymden (och även för markbaserade teleskop genom adaptiv optikbaserad luftturbulenskorrigering) har förbättrats avsevärt under de senaste decennierna, har behovet av IFS-anläggningar blivit mer och mer pressande. Spektralupplösning är vanligtvis några tusental och våglängdstäckning cirka en oktav (dvs en faktor 2 i våglängd). Observera att varje IFS kräver ett finjusterat mjukvarupaket för att omvandla rådata i fysiska enheter (ljusintensitet kontra våglängd på exakta himmelsplatser)

Panorama IFS

Med varje rumslig pixel spridd på säg 4096 spektrala pixlar på en toppmodern 4096 x 4096 pixeldetektor, är IFS synfält kraftigt begränsade, ~10 bågsekunder över när matning av ett 8–10 m klass teleskop. Det i sin tur begränsar främst IFS-baserad astrofysisk vetenskap till enstaka små mål. Ett mycket större synfält – 1 bågminut tvärs över eller ett himmelsområde 36 gånger större – behövs för att täcka hundratals mycket avlägsna galaxer, i en enda, om mycket lång (upp till 100 timmar), exponering. Detta i sin tur kräver att man utvecklar IFS-system med minst ~ en halv miljard detektorpixlar.

Den brute force-metoden skulle ha varit att bygga enorma spektrografer som matar gigantiska detektormatriser. Istället är de två Panoramic IFS i drift 2022, MUSE och VIRUS, gjorda av 24 respektive 120 serietillverkade optiska IFS. Detta resulterar i betydligt mindre och billigare instrument. Det spegelskärbaserade MUSE-instrumentet började användas vid ESO Very Large Telescope 2014 och det fiberskivade baserade VIRUS på Hobby-Eberly Telescope 2021.

Multi-Object IFS

Det är begreppsmässigt okomplicerat att kombinera funktionerna för Integral Field Spectroscopy och Multi-Object Spectroscopy i ett enda instrument. Detta görs genom att placera ut ett antal små IFUs i ett stort skypatrullfält, möjligen en grad eller mer tvärs över. På så sätt kan man få ganska detaljerad information om t.ex. ett antal utvalda galaxer på en gång. Det finns naturligtvis en avvägning mellan den rumsliga täckningen på varje mål och det totala antalet tillgängliga mål. FLAMES, det första instrumentet med denna funktion, fick första ljuset i detta läge vid ESO Very Large Telescope 2002. Ett antal sådana anläggningar är nu i drift i det synliga och det nära infraröda.

Ett exempel på observationer med Integral Field Units vid FLAMES/ESO

Ännu större latitud i valet av täckning av patrullfältet har föreslagits under namnet Diverse Field Spectroscopy (DFS) som skulle tillåta observatören att välja godtyckliga kombinationer av himmelregioner för att maximera observationseffektiviteten och vetenskapligt utbyte. Detta kräver teknisk utveckling, i synnerhet mångsidiga robotmålupptagningar och fotoniska ställverk.

Tredimensionella detektorer

Andra tekniker kan uppnå samma mål vid olika våglängder. Speciellt vid radiovåglängder erhålls samtidig spektral information med heterodyna mottagare, med stor frekvenstäckning och enorm spektral upplösning.

I röntgendomänen, på grund av den höga energin hos individuella fotoner, lämpligen kallade 3D-fotonräkningsdetektorer, mäter inte bara 2D-positionen för inkommande fotoner i farten utan också deras energi, därav deras våglängd. Observera ändå att spektral information är mycket grov, med endast spektrala upplösningar ~10. Ett exempel är ACIS Advanced CCD Imaging Spectrometer på NASA:s Chandra X-ray Observatory .

I synligt-nära infrarött är detta tillvägagångssätt mycket svårare med de mycket mindre energirika fotonerna. Ändå har supraledande detektorer i små format, med begränsad spektral upplösning ~ 30 och kylda under 0,1 K, utvecklats och framgångsrikt använts, t.ex. 32x32 pixlar ARCONS-kameran vid Hale 200”-teleskopet. Däremot har "klassisk" IFS vanligtvis spektralupplösningar på några tusentals.

  1. ^   Butcher, Harvey (1982-11-16). Crawford, David L. (red.). "Multi-Aperture Spectroscopy at Kitt Peak" . Tucson: 296–300. doi : 10.1117/12.933469 . S2CID 120182897 . {{ citera journal }} : Citera journal kräver |journal= ( hjälp )
  2. ^    Courtes, Georges (1982). Humphries, Colin M. (red.). Instrumentation for Astronomy with Large Optical Telescopes: Proceedings of IAU Colloquium No. 67, Hald at Zelenchukskaya, USSR, 8–10 September, 1981 . Astrofysik och rymdvetenskapsbibliotek. Vol. 92. Dordrecht: Springer Nederländerna. doi : 10.1007/978-94-009-7787-7 . ISBN 978-94-009-7789-1 . S2CID 124085276 .
  3. ^   Bacon, R.; Adam, G.; Baranne, A.; Courtes, G.; Dubet, D.; Dubois, JP; Emsellem, E.; Ferruit, P.; Georgelin, Y.; Monnet, G.; Pecontal, E.; Rousset, A.; Säg, F. (1995-10-01). "3D-spektrografi med hög rumslig upplösning. I. Koncept och realisering av den integrerade fältspektrografen TIGER" . Astronomy and Astrophysics Supplement Series . 113 : 347. Bibcode : 1995A&AS..113..347B . ISSN 0365-0138 .
  4. ^   Adam, G.; Bacon, R.; Courtes, G.; Georgelin, Y.; Monnet, G.; Pecontal, E. (1989-01-01). "Observationer av Einsteinkorset 2237+030 med TIGER integralfältspektrograf" . Astronomi och astrofysik . 208 : L15–L18. Bibcode : 1989A&A...208L..15A . ISSN 0004-6361 .
  5. ^ "SAURON - Spektrographic områdesenhet för forskning om optiska nebulosor" . Hämtad 30 november 2012 .
  6. ^   Claudi, RU; Turatto, M.; Gratton, RG; Antichi, J.; Bonavita, M.; Bruno, P.; Cascone, E.; De Caprio, V.; Desidera, S.; Giro, E.; Mig ledsen.; Scuderi, S.; Dohlen, K.; Beuzit, JL; Puget, P. (2008). "SPHERE IFS: spektrodifferentialbildaren för VLT för exoplanetsökning". I McLean, Ian S; Casali, Mark M (red.). Markbaserad och luftburen instrumentering för astronomi II . Vol. 7014. sid. 70143E. Bibcode : 2008SPIE.7014E..3EC . doi : 10.1117/12.788366 . S2CID 56213827 .
  7. ^   Angonin, MC; Vanderriest, C.; Surdej, J. (1990), Mellier, Yannick; Fort, Bernard; Soucail, Geneviève (red.), "Bidimensional spectrography of the "clover leaf" H1413+117 at sub-arcsec. Spatial resolution", Gravitational Lensing , Berlin/Heidelberg: Springer-Verlag, vol. 360, s. 124–126, doi : 10.1007/bfb0009246 , ISBN 978-3-540-52648-3 , hämtad 2022-12-19
  8. ^ Malivoir, C.; Encrenaz, Th.; Vanderriest, C.; Lemonnier, JP; Kohl-Moreira, JL (oktober 1990). "Kartering av sekundära produkter i kometen Halley från bidimensionell spektroskopi" . Ikaros . 87 (2): 412–420. doi : 10.1016/0019-1035(90)90144-X .
  9. ^ "INTEGRAL: En enkel och vänlig integrerad fältenhet tillgänglig på WHT" . Isaac Newton-gruppen av teleskop . Hämtad 30 november 2012 .
  10. ^ "CALIFA: Calar Alto Legacy Integral Field Area Survey" . CALIFA-undersökning . Hämtad 10 oktober 2014 .
  11. ^ "SAMI: Översikt över SAMI-undersökningen" . SAMI undersökning . Hämtad 5 mars 2014 .
  12. ^ "MaNGA: SDSS-III" . Sloan Digital Sky Survey . Hämtad 5 mars 2014 .
  13. ^ Cameron, M.; Weitzel, L.; Krabbe, A.; Genzel, R.; Drapatz, S. (1993-12-01). "3D: Den nya MPE Near-Infrared Field Imaging Spectrometer" . American Astronomical Society Meeting Abstracts . 183 : 117,02. Bibcode : 1993AAS...18311702C .
  14. ^   Eisenhauer, F.; Schdel, R.; Genzel, R.; Ott, T.; Tecza, M.; Abuter, R.; Eckart, A.; Alexander, T. (2003-11-10). "En geometrisk bestämning av avståndet till det galaktiska centrumet" . The Astrophysical Journal . 597 (2): L121–L124. doi : 10.1086/380188 . ISSN 0004-637X .
  15. ^   Innehåll, Robert (1998-08-21). "Avancerade bildskärare för integrerad fältspektroskopi med UKIRT och GEMINI" . I Fowler, Albert M. (red.). Infraröd astronomisk instrumentering . Vol. 3354. Kona, HI. sid. 187. doi : 10.1117/12.317262 . S2CID 173185841 .
  16. ^ "ESO - MUSE" . www.eso.org . Hämtad 2022-12-19 .
  17. ^   Matuszewski, Mateusz; Chang, Daphne; Crabill, Robert M.; Martin, D. Christopher; Moore, Anna M.; Morrissey, Patrick; Rahman, Shahinur (2010-07-16). "The Cosmic Web Imager: en integrerad fältspektrograf för Hale-teleskopet vid Palomar Observatory: instrumentdesign och första resultat" . I McLean, Ian S.; Ramsay, Suzanne K.; Takami, Hideki (red.). Markbaserad och luftburen instrumentering för astronomi III . Vol. 7735. San Diego, Kalifornien, USA. sid. 77350P. doi : 10.1117/12.856644 . S2CID 122825396 .
  18. ^ www2.keck.hawaii.edu https://www2.keck.hawaii.edu/inst/osiris/ . Hämtad 2022-12-19 . {{ citera webben }} : Saknas eller tom |title= ( hjälp )
  19. ^ "ESO - KMOS" . www.eso.org . Hämtad 2022-12-19 .
  20. ^   Hill, Gary J.; Lee, Hanshin; MacQueen, Phillip J.; Kelz, Andreas; Drory, Niv; Vattiat, Brian L.; Bra, John M.; Ramsey, Jason; Kriel, Herman; Peterson, Trent; DePoy, DL; Gebhardt, Karl; Marshall, JL; Tuttle, Sarah E.; Bauer, Svend M. (2021-12-01). "HETDEX Instrumentation: Hobby-Eberly Telescope Wide Field Upgrade and VIRUS" . The Astronomical Journal . 162 (6): 298. arXiv : 2110.03843 . doi : 10.3847/1538-3881/ac2c02 . ISSN 0004-6256 .
  21. ^   Pasquini, Luca; Castillo, Roberto; Dekker, Hans; Hanuschik, Reinhard; Kaufer, Andreas; Modigliani, Andrea; Palsa, Ralf; Primas, Francesca; Scarpa, Riccardo; Rökare, Jonathan; Wolff, Burkhard (2004-09-30). "Framträdande av FLAMES på VLT: ett års drift" . Markbaserad instrumentering för astronomi . Vol. 5492. USA. sid. 136. doi : 10.1117/12.550437 . S2CID 121131874 .
  22. ^   Pasquini, Luca; Alonso, Jaime; Avila, Gerardo; Barriga, Pablo; Biereichel, Peter; Buzzoni, Bernard; Cavadore, Cyril; Cumani, Claudio; Dekker, Hans; Delabre, Bernard; Kaufer, Andreas; Kotzlowski, Heinz; Hill, Vanessa; Lizon, Jean-Luis; Nees, Walter (2003-03-07). "Installation och första resultat av FLAMES, VLT:s multifiberanläggning" . I Iye, Masanori; Moorwood, Alan FM (red.). Instrumentdesign och prestanda för optiska/infraröda markbaserade teleskop . Vol. 4841. Waikoloa, Hawaii, USA. sid. 1682. doi : 10.1117/12.458915 . S2CID 120202757 .
  23. ^ Croom, Scott M.; Lawrence, Jon S.; Bland-Hawthorn, Joss; Bryant, Julia J.; Fogarty, Lisa; Richards, Samuel; Goodwin, Michael; Farrell, Tony; Miziarski, Stan; Heald, Ron; Jones, D. Heath; Lee, Steve; Collless, Matthew; Brough, Sarah; Hopkins, Andrew M. (februari 2012). "The Sydney-AAO Multi-object Integral field spectrograph: The Sydney-AAO Multi-object IFS" . Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society : nr. doi : 10.1111/j.1365-2966.2011.20365.x .
  24. ^   Bundy, Kevin; Bershady, Matthew A.; Law, David R.; Yan, Renbin; Drory, Niv; MacDonald, Nicholas; Wake, David A.; Cherinka, Brian; Sánchez-Gallego, José R.; Weijmans, Anne-Marie; Thomas, Daniel; Tremonti, Christy; Mästare, Karen; Coccato, Lodovico; Diamond-Stanic, Aleksandar M. (2014-12-10). "ÖVERSIKT ÖVER SDSS-IV MaNGA-UNDERSÖKNINGEN: MAPPING NÄRBARA GALAXIER VID APACHE POINT OBSERVATORIET" . The Astrophysical Journal . 798 (1): 7. doi : 10.1088/0004-637X/798/1/7 . ISSN 1538-4357 .
  25. ^   Sharples Ray; Bender, Ralf; Agudo Berbel, Alex; Bennett, Richard; Bezawada, Naidu; Castillo, Roberto; Cirasuolo, Michele; Clark, Paul; Davidson, George; Davies, Richard; Davies, Roger; Dubbeldam, Marc; Fairley, Alasdair; Finger, Gert; Schreiber, Natascha F. (2014-07-08). "Prestandan för K-bands multi-objektspektrograf (KMOS) på ESO VLT" . I Ramsay, Suzanne K.; McLean, Ian S.; Takami, Hideki (red.). Markbaserad och luftburen instrumentering för astronomi V . Vol. 9147. Montréal, Quebec, Kanada. s. 91470W. doi : 10.1117/12.2055496 . S2CID 120225246 .
  26. ^   Eikenberry, SS; Bennett, JG; Chinn, B.; Donoso, HV; Eikenberry, SA; Ettedgui, E.; Fletcher, A.; Frommeyer, Raymond; Garner, A.; Herlevich, M.; Lasso, N.; Miller, P.; Mullin, S.; Murphey, C.; Raines, SN (2012-09-24). "MIRADAS för Gran Telescopio Canarias: systemöversikt" ( PDF) . I McLean, Ian S.; Ramsay, Suzanne K.; Takami, Hideki (red.). Markbaserad och luftburen instrumentering för astronomi IV . Vol. 8446. Amsterdam, Nederländerna. sid. 844657. doi : 10.1117/12.925686 . S2CID 121061992 .
  27. ^ Murray, GJ; Allington-Smith, JR (2009-10-11). "Strategier för spektroskopi på extremt stora teleskop - II. Spektroskopi med olika fält" . Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society . 399 (1): 209–218. doi : 10.1111/j.1365-2966.2009.15170.x .
  28. ^   Lawrence, Jon S.; Brown, David M.; Brzeski, Jurek; Case, Scott; Collless, Matthew; Farrell, Tony; Gers, Luke; Gilbert, James; Goodwin, Michael; Jacoby, George; Hopkins, Andrew M.; Irland, Michael; Kuehn, Kyler; Lorente, Nuria PF; Miziarski, Stan (2014-07-08). "Det MANIFESTA fiberpositioneringssystemet för Giant Magellan Telescope" . I Ramsay, Suzanne K.; McLean, Ian S.; Takami, Hideki (red.). Markbaserad och luftburen instrumentering för astronomi V . Vol. 9147. Montréal, Quebec, Kanada. sid. 914794. doi : 10.1117/12.2055742 . hdl : 1885/19263 . S2CID 67812742 .
  29. ^   Lee, David; Taylor, Keith (2000-08-16). "Fiberutveckling vid Anglo-Australian Observatory for SPIRAL and AUSTRALIS" . I Iye, Masanori; Moorwood, Alan FM (red.). Instrumentering och detektorer för optiska och IR-teleskop . Vol. 4008. München, Tyskland. sid. 268. doi : 10.1117/12.395481 . S2CID 120707645 .
  30. ^   Carter, M.; Lazareff, B.; Maier, D.; Chenu, J.-Y.; Fontana, A.-L.; Bortolotti, Y.; Boucher, C.; Navarrini, A.; Blanchet, S.; Greve, A.; John, D.; Kramer, C.; Morel, F.; Navarro, S.; Peñalver, J. (februari 2012). "EMIR multiband mm-vågsmottagare för IRAM 30-m teleskopet" . Astronomi & Astrofysik . 538 : A89. doi : 10.1051/0004-6361/201118452 . ISSN 0004-6361 .
  31. ^   O'Brien, Kieran; Mazin, Ben; McHugh, Sean; Meeker, Seth; Bumble, Bruce (september 2011). "ARCONS: en mycket multiplexad supraledande UV-till-Near-IR-kamera" . Internationella astronomiska unionens handlingar . 7 (S285): 385-388. doi : 10.1017/S1743921312001159 . ISSN 1743-9213 .

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Integral_field_spectrograph&oldid=1139047235 "