Spektroskopie mit einfachen Mitteln

Sonnen-Spektrum mit einer Nadel und dem Star Analyser 200 (Gitter 200 L/mm)

Anodnung: Der Star Analyser 200 ist ein Gitter mit 200 Linien/mm und einer Größe von ca. 25mm Durchmesser, der in einer Filterfassung für 1 ¼ Zoll Filter gefaßt ist und mit einem Adapter in das M52 Filtergewinde des 100mm Objektivs einer Canon 6D MKII direkt eingeschraubt war.

Eine etwas größere Nähnadel von ca. 5 cm Länge wurde in Sitzpolster eines schwarzen Kindersitzes eingesteckt und so ausgerichtet, daß die Reflexion des Sonnenlichtes an der Nadelkante in die Kamera auf einem Stativ fiel. Der Sitz war dabei so ausgerichtet, daß die schwarze Sitzfläche im Schatten lag, um einen möglichst dunklen Hintergrund zu bilden. Der Abstand zur Kamera betrug so ca. 2-3m.

Nach Scharfstellung war sowohl die Nadel als auch das Spektrum des Striches der Nadel mit schachen Linien zu erkennen und wurde mit üblicher Belichtung fotografiert ( so z.B. Blende 5,6 und 1/1000sec bei ISO 100). Das Bild zeigt einen Ausschnitt des Fotos. Leider war die Nadel nicht überall so schön glänzend wie es vorher schien. Daher durchziehen viele waagerechte, dunkle Striche das Spektrum. Das Foto wurde in Luminanz geändert, um den reinen Intensitätsverlauf zu erhalten.

Im Programm Visual Spec erfolgte eine Überlagerug in y-Richtung eines Teils des Spektrums um ein gute S/N Verhältnis für den Intensitätsverlauf der ermittelten Meßkurve zu generieren. Es erfolgte die Frequenzeichung anhand der einfach zu identifizierenden Halpha-Linie und der 0-ten Ordnung (also dem Bild der Nadel). Die übrigen Linien wurden dann auch richtig in der Wellenlänge wiedergegeben. Die Auflösung des Spektrums liegt bei etwa 0.3nm/pixel. Die Linienbreite in dem Spektrum liegt so etwas über 1nm. Das Diagramm wurde dann in Exel erzeugt nach dem Export der geeichten Kurve aus Visual Spec.

Das Bild der Nadel und dem zugehörigen Spektrum:

Das ausgearbeitete Intensitätsprofil:

Sternspektren mit Transmissionsgitter vor dem Objektiv

Bei meinen ersten Versuchen habe ich ein Gitter der Größe 50mm x 50mm mit 300Linien/mm (von Thorlabs) vor einem Standart-50mm Fotoobjektiv montiert. Um einen größeren Spektralbereich detektieren zu können, wurde als Kamera die ASI 183MM eingesetzt, welche ohne Filter einen Bereich von unter 400nm bis nahezu 1000nm abdecken kann. Mit Objektiven größerer Brennweite wird das Spektrum so stark aufgeweitet, daß es nicht mehr auf den relativ kleinen Sensor passt. Leider hat das 50mm Objektiv von Canon einen sehr starken Farbfehler, weshalb die Spektren nur im zentralen Bereich einigermaßen scharf sind und die an sich scharfen Strukturen an den spektralen Rändern deutlich verwaschen abgebildet werden.

Als Himmelsgegend bot sich das Sternbild Leier an, mit Wega als hellem Stern der Spektralklasse A0 Va mit starken Wasserstoff-Absorptionslinien, die auch zur Eichung gut geeignet sind. Darüber hinaus befindet sich nahe bei Wega der Stern R Lyrae, ein Stern der Spektralklasse M5 III mit rotverschobener Emission, der ein komplett anderes Spektrum mit breiten Absorptionsbanden von Metallen aufweist.

Für die Aufnahme wurde die Kamera auf der parallaktischen Montierung nachgeführt und mehrere Aufnahmen mit 30sec belichtet. Die Ausarbeitung erfolgte wie bei dem Sonnenspektrum beschrieben.

Man erkennt im Spektrum der Wega deutlich den hohen Intensitätsanteil im blauen Spektralbereich und die Balmer-Serie des Wasserstoffs als Absorptionslinien, die man gut zur Eichung verwenden kann. R Lyrae hingegen zeigt geringe Emission unterhalb von 470nm und besitzt eine starke Emission > 600nm bis hin zu 760nm mit sehr breiten Absorptions-Banden.

Sternspektren mit Transmissionsgitter im Strahlengang vor dem Bilddetektor

Als Vergleich zeige ich hier die gleichen Spektren aufgenommen mit einem kleinen Refraktor (360mm Brennweite), wobei ein Gitter mit 200Linien/mm ca. 40mm vor dem Kamerasensor im abbildenden Strahlengang des Refraktors positioniert war. In dieser Anordnung ist der Farbfehler der Anordnung deutlich geringer und man kann Linienspektren über einen weiten Bereich abbilden.

In diesen Bildern wurde die detektierte Intensitätsverteilung mit der Empfindlichkeitskurve des Kamerasensors korrigiert. Es verbleibt die Veränderung der tatsächlichen Emissionskurve des Sternes durch die spektrale Beugungseffizienz des Gitters. Man erkennt aber den extrem starken Unterschied.

Wega als junger Stern der Spektralklasse A0 zeigt ein Emissionsspektrum mit einem Maximum bei etwas über 400nm im blauen Spektralbereich, das einer Oberflächentemperatur von ca. 9000K entspricht. Die Emissionkurve ähnelt dem Verlauf der Plankschen Strahlungsverteilung, die überlagert ist von den Absorptionslinien der Balmer-Serie des Wasserstoffs.

R Lyr hingegen zeigt ein extrem gegliedertes Spektrum mit sehr vielen Absorptionslinien und -banden. Das Strahlungsmaximum liegt im nahen infraroten Spektralbereich bei 750nm und größer, was einer Oberflächentemperatur um 4000K entspricht. Die zahlreichen Absorptionslinien weisen auf große Anteile von Metallen, die durch das fortgeschrittene Entwicklungsstadium des Sternes erbrütet worden sind.