special - Carl Zeiss

3D-Spektroskopie –
ein neues Messverfahren
der Astrophysik
Das Astrophysikalische Institut Potsdam
(AIP), eine der ältesten Sternwarten
Deutschlands, hat seit seiner
Neugründung im Jahre 1992 neben
seinen klassischen Kompetenzfeldern
wie Sternphysik, Extragalaktik und
Kosmologie den planmäßigen Aufbau
von Infrastruktur für die Entwicklung
moderner astronomischer Teleskope
und von Fokalinstrumenten vorangetrieben.
Das erste konkrete Projekt
in diesem Bereich begann 1996
mit der Entwicklung von PMAS (Potsdamer
Multi-Apertur Spektrophotometer),
einem innovativen bildgebenden
Spektrographen (Bild 1). Die neue
Technik wird häufig auch als Integralfeld-Spektroskopie
oder kurz 3D-
Spektroskopie bezeichnet. Bild 2 vermittelt
das Messprinzip: das in der
Fokalebene des Teleskops entstehende
reelle Bild eines Objekts, z.B. einer
Galaxie, wird durch ein Linsenraster
abgetastet und mit seiner endlichen
Anzahl von mxn Linsenelementen in
Innovation 16, Carl Zeiss AG, 2005
eine diskrete Anzahl von mxn Bildelementen
überführt. Das in jedes
Bildelement einfallende Licht wird
durch eine individuell zugeordnete
Faser eines Lichtleiterbündels aus der
Fokalebene ausgekoppelt und einem
mehr oder weniger weit entfernten
Faserspektrographen zugeführt.
Durch Umordnen der rechteckig
angeordneten Bildelemente zu einem
linearen Faserarray in der Eintrittsebene
des Spektrographen kann auf sehr
einfache Weise eine Anpassung der
Geometrie des flächenhaften Objekts
an die lineare Struktur des Spektrographenspalts
erreicht werden. Jede
Faser wird nun durch die Optik des
Spektrographen individuell als kleine
Kreisfigur auf den CCD-Detektor abgebildet,
wobei infolge der Dispersion
des Beugungsgitters das Faserbild
bei Beleuchtung mit einem Kontinuum
zu einem Lichtband auseinandergezogen
wird, bzw. bei der Beleuchtung
mit einem Emissionslinienspektrum
in einer Anzahl diskreter
Lichtpunkte längs diese Lichtbandes
sichtbar wird (Bild 3). Auf dem Detektor
entsteht nun eine Familie von
(mxn) Spektren, die nach Auslesen
des Bilds in den Computer mit geeigneten
Softwareprogrammen zunächst
extrahiert, kalibriert, und
schließlich zur Bildrekonstruktion zusammengefasst
werden können. Das
Ergebnis dieser Bildrekonstruktion
wird als Datenkubus bezeichnet – daher
auch der Begriff 3D-Spektroskopie
(Bild 4). Je nach Sichtweise lässt
sich der Datenkubus als Stapel monochromatischer
Bildaufnahmen, oder
als Bündel von in einem rechteckigen
Raster angeordneten Einzelspektren
interpretieren. Der Vorteil des Verfahrens
liegt auf der Hand: 3D-Spektroskopie
ist ein vollsimultanes Messverfahren,
bei dem der gesamte Datensatz
in einer einzigen Belichtung aufgenommen
wird. Da die meisten astrophysikalisch
interessanten Objekte
extrem lichtschwach sind und den
Einsatz von kostspieligen Großteleskopen
erforderlich machen, gewinnt
dieser Aspekt, besonders für die interessantesten
aktuellen Problemstellungen,
zunehmend an Bedeutung.
Bild 1:
PMAS, das Potsdamer
Multiapertur Spektrophotometer
am Cassegrainfokus
des Carl Zeiss 3,5m
Spiegelteleskops am
Calar Alto Observatorium
in Südspanien.
Bild 2:
Prinzipieller Aufbau eines
Integralfeld-Spektrographen
mit Linsenarray und
Faserkopplung.
Bild 3:
Bildausschnitt aus einer
PMAS-Kalibrationsaufnahme
mit Kontinuumslicht
(durchgehende Streifen)
und Emissionslinienspektrum
(aufgeprägte Punkte).
Im Ausschnitt sind zwei
Gruppen von je 16 Spektren
zu sehen, die Dispersionsrichtung
verläuft von links
nach rechts.
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