Espectrógrafo estelar del Observatorio UCM - GUAIX

Espectrógrafo estelar del Observatorio UCM - GUAIX

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Fı́sica de la Tierra, Astronomı́a y Astrofı́sica II
(Astrofı́sica 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 2006-2007
Septiembre de 2006
1.
1.1.
Antecedentes
Introducción
Durante el curso 2000-2001 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.
1.2.
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 45o , 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
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.
1.3.
Resultados del curso 2003-2004
Durante el curso 2003-2004 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 caracterı́sticas, 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 venı́a 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.
1.4.
Resultados del curso 2004-2005
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 habı́an 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 ası́ aprovechar al máximo
el cono de luz que emerge de la fibra.
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 raı́les.
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 pı́xeles calientes y el elevado tiempo de lectura, esta operación resultó ser
bastante lenta y complicada.
1.5.
Resultados del curso 2005-2006
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 2005-2006 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 caracterı́sticas:
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.
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 Astrofı́sica.
3.
Horario de trabajo
Para el desarrollo del trabajo propuesto, distribuiré durante el perı́odo 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