Spektroszkópia

Ha valaha is felfedezzük az élet jeleit egy másik bolygón, azt spektrográffal tesszük

A spektroszkópia a csillagászok egyik legkedveltebb eszköze az univerzum kutatásában. A bolygók, csillagok és galaxisok egyszerűen túl messze vannak ahhoz, hogy laboratóriumban elemezhetnénk őket. Szerencsére a távoli objektumokra vonatkozó nagyon fontos információk kódolva vannak a távcsöveink által detektált fényben.

A fény azonban nem egy nyitott könyv. Ahhoz, hogy elolvashassuk, színeire (vagy hullámhosszaira) kell bontanunk, ugyanúgy, ahogyan az esőcsepp bontja fel szivárványt létrehozva. A színek szivárványát Newton a latin “kinézet/megjelenés” szó alapján spektrumnak nevezte el.

 


A prizma a fehér fényt alkotórészeire bontja: ezek a szivárvány színei.


A mindenki számára ismerős természetes fénybontás.

 

A spektroszkópia első csillagászati alkalmazása a napfény Fraunhofer és Kirchoff általi elemzése volt a 19. század elején. Azt várták, hogy a Nap által kibocsátott fehér fény prizmán áthaladva tökéletes szivárványt produkál. Ehelyett, először a történelemben, sötét vonalakból álló mintázatot is észleltek. Ezeket a váratlan, ún. abszorpciós vonalakat különböző kémiai elemek “ujjlenyomatként” hagyták a fényen, miközben kölcsönhatásba léptek vele.

A kölcsönhatás szépsége, hogy minden kémiai elem vagy molekula egyedi nyomot hagy a spektrumban, egyfajta vonalkódot, amely egyértelműen megkülönbözteti egyik elemet a másiktól. A vonalkódot visszafejtve a spektroszkópia lényeges tulajdonságokat tud feltárni minden fényt kibocsátó vagy elnyelő testről.

 


A Nap “vonalkódja”. Egy nagyon hosszú spektrum kisebb részei láthatók egymás felett.
Forrás: NOAO/AURA/NSF


Egy csillag a színkép minden részében bocsát ki sugárzást – ez a kontinuum. Ha a fehér fény áthalad egy prizmán, az szivárványt csinál belőle, ez a színképe. Hasonló módon, ha a csillag fénye egy gázködön – vagy akár csak a csillag légkörén – halad át, bizonyos színeknél (vagy hullámhosszaknál) a fényt a gázt alkotó elemek elnyelik, ezért a kontinuumon sötét vonalak jelennek meg. Ez egy ún. abszorpciós spektrum. A gáz által elnyelt energia aztán minden irányban kisugárzódik, a gázban jelen lévő elemekre jellemző színekben is, bizonyos hullámhosszakon fényes vonalakat létrehozva így, ez az ún. emissziós spektrum.

 

A spektrográfok a csillagászati műszerpark alapvető elemei, sokkal kifinomultabbak, mint a prizmák. Egyszerű szivárvány helyett a kimenetük olyan színkép, amelyben a fény diszperziója sokkal nagyobb, mint a szivárványban. A spektrumokat CCD detektorok rögzítik, majd azokat további feldolgozás és elemzés céljából számítógépes adathordozókra mentik. Egy csillag vagy tetszőleges csillagászati objektum színképe nem csak bizonyos kémiai elemek jelenlétét fedi fel, de az uralkodó fizikai viszonyokról, például a hőmérsékletről és a sűrűségről is szolgáltat információt. A spektrumok a mozgásról is tájékoztathatnak: a Doppler-effektus használatával egy csillag vagy egy galaxis Földhöz viszonyított sebessége is meghatározható. Ezen effektus alapján fedeznek fel Naprendszeren kívüli bolygókat, és szintén hasonló hatás teszi lehetővé a csillagászoknak, hogy megmérjék a galaxisok távolságát. A színképek az objektum mágneses teréről anyagi összetételéről, és még sok minden másról is árulkodnak.

Az ESO obszervatóriumainak legtöbb távcsöve fel van szerelve spektrográfokkal vagy van spektroszkópiai üzemmódja. Ezek különböző hullámhossz-tartományokat fednek le (a közeli ultraibolyától az infravörös közepéig), és különböző spektrális felbontásokat kínálnak (minél nagyobb a spektrális felbontás, annál nagyobb a fény diszperziója, és annál finomabb részletek detektálhatók a színképben).

 


Az X-shooter műszerrel rögzített spektrum illusztrációja. Ez a műszer az ultraibolyától az infravörösig terjedő széles hullámhossz-tartományban képes szimultán módon színképeket készíteni egy objektumról..


A legtöbb spektrográfba a felbontandó fény egy résen keresztül jut, amely lehet hosszú, rövid, vagy akár csak egy kicsiny lyuk is.  Csak ez a fény kerül a (képen nem látható) spektrográfba, ahol előáll a rés színképe.

 

A Paranalon működő VLT néhány spektrográfja, például a UVES és a CRIRES, nagy felbontású spektrumokat állít elő, más műszerek, mint a FLAMES és a VIMOS egyszerre több objektum színképét képesek elkészíteni, néhány, például a KMOS, a MUSE és a SINFONI pedig a teljes látómezejükről képesek spektrumot rögzíteni (lásd Integrálismező-spektroszkópia).

A La Silla Obszervatóriumban as NTT teleszkópon működő EFOSC2 (és elődje, az EMMI) valamint a SOFI is spektrográfok. Az exobolygók detektálásában betöltött vezető szerepe miatt azonban a legismertebb minden bizonnyal az ESO 3.6-metre telescope installált HARPS spektrográf.

A spektrográfok következő generációjának, például azELT-re (Extremely Large Telescope) tervezett műszereknek a teljesítőképessége messze meg fogja haladni azt, amit jelenleg elérhetünk. A ma még nem kivitelezhető mérések egyikeként a csillagászok azt remélik, hogy képesek lesznek az élet lehetséges nyomainak kimutatására a Földhöz hasonló exobolygók légkörében. Ha valaha is felfedezzük az élet nyomait egy másik bolygón, nagyon valószínű, hogy abban egy spektrográfnak is lesz szerepe.

Kiemelkedő tudományos eredmények

Az ESO spektrográfjai a csillagászat különböző területein született jelentős eredményekhez szolgáltattak kulcsfontosságú adatokat:

  • Az ESO 10 legfontosabb csillagászati felfedezése
  • Naprendszer égitestjei, exobolygók és barna törpék: lásd CRIRES kiemelkedő tudományos eredményei
  • Exobolygók: lásd HARPS kiemelkedő tudományos eredményei
  • Csillagpopulációk: lásd FLAMES kiemelkedő tudományos eredményei
  • Kozmológia: lásd UVES kiemelkedő tudományos eredményei
  • Szupernagy tömegű fekete lyuk a Tejútrendszer centrumában: lásd SINFONI kiemelkedő tudományos eredményei
  • Galaktikus evolúció: lásd VIMOS kiemelkedő tudományos eredményei