Der DADOS Spektrograph - Ein Erfahrungsbericht

Der Spektrograph

Seit einiger Zeit liefert nun die Firma Baader Planetarium den, zusammen mit dem Max-Planck-Instut für Extraterrestrische Physik entwickelten, DADOS - Spaltspektrographen aus. Es handelt sich um einen der wenigen, als Komplettsystem erhältlichen Spektrographen. Hiervon können sowohl Einsteiger, als auch "alte Hasen" druchaus profitieren. Dieser Erfahrungsbericht soll einen kleinen Einblick in erste Erfahrungen mit dem DADOS geben und einige der Möglichkeiten aufzeigen, die sich dem geneigten Amateuerastronomen nun mit diesem Gerät ohne viel Aufwand erschließen.

Abb. 1: Der DADOS Spektrograph, montiert am C8 des Verfassers

Viele atomphysikalischen Merkmale liegen nicht im Bereich der Röntgenstrahlung. Die Temperatur koronaler Plasmen von Sternen kann zum Beispiel besonders gut durch die temperatursensitive Dielektronische Rekombination im Röntgenbereich beobachtet werden.

Abbildende Systeme

DADOS ist das spanische Wort für Würfel oder Würfelspiel. Sehr passend für das, im wesentlichen aus zwei miteinander verbundenen Metallquadern bestehende System. In dem ersten Würfel befindet sich eine Optik, durch welche das Bild des eingestellten Objektes auf ein Okular oder eine vom Beobachter an dieser Stelle zu verwendende Positionier- und Nachführ - CCD umgelenkt wird. Nach der Positionierung des Objektes auf einem der drei hier angebrachten Spalte unterschiedlichen Durchmessers gelangt ein Teil des Lichtstrahls in den zweiten Würfel, in welchem sich das austauschbare Reflexionsgitter befindet.

Dabei handelt es handelt sich bei den von Baader vertriebenen Gittern um "geblaztes"Gitter. Diese Gitter sind durch einzelne, leicht angeschrägte Spiegelflächen so päpariert, daß das Licht bevorzugt in eine der vielen spektralen Ordnungen gebeugt wird, in welche Gitter einen Lichtsrahl im Normalfall aufteilen. Hierdurch wird deutlich weniger Licht sinnlos verschwendet. Durch den relativ einfach gehaltenen Umbau des Gitters sowie der zu jedem Zeitpunkt möglichen Wahl des Spaltes hat der Beobachter generell eine hohe Flexibilitä bei der Entscheidung zwischen Helligkeit (und damit kurze Belichtugszeiten) sowie der spektralen Auflösung. Diese Enstscheidung ist vor allem von dem jeweiligen Objekt abhängig.

Der Spektrograph wird abgerundet durch eine Fokussieroptik, die in einem 90 Grad Winkel hinter dem Gitter angebracht ist und sich mithilfe einer kleinen Schraube feststellen läßt, so daß im Normalfall alle Aufnahmen eines Abends mit der gleichen Einstellung gefahren werden können. In diesem Zusammenhang hat sich auch der von der Firma Baader Planetarium mitgelieferte Schwalbenschwanz Aufsatz bewährt, mit dessen Hilfe das komplette Kamerasystem abgenommen und wieder angebracht werden kann, ohne daß, sich der Fokuspunkt verstellt. Zur Einstellung des sichtbaren Spektrenausschnitts kann zusätzlich an einer Mikrometerschraube der Winkel eingestellt werden unter dem das am Gitter erzeugte Spektrum beobachtet wird. Hierzu wird der Kippwinkel des Gitters selbst leicht variiert. Auch dieser läßt sich mit einer Schraube fixieren.

Erste Erfahrungen

Damit sind wir im Übergang zu den ersten Erfahrungen mit dem Gerät. Auf dem unteren Bild habe ich mit dem Spektrometer und meiner Canon EOS 400D eine Reihe von üblichen Lichtquellen sozusagen aus der "hohlen Hand" aufgenommen. Zur Vergrößerung bitte auf das Bild klicken.

Dagegen zeigt die untere Aufnahme zwei Spektren der Hα (Balmer) Linie des Wasserstoffs in dem Spektrum des spektroskopischen Doppelsterns β Aurigae mit nur einem Tag Abstand. Durch die abwechselnde Bewegung der beiden Sterne in Richtung des Beobachters oder auch von ihm weg, werden die Lichtwellen des Spektrums gestaucht oder auseinandergezogen. Hierdurch erscheint Linien im Spektrum in regelmäßigen Abständen doppelt. Die Linien auf der rechten Seite liegen bereits im infraroten Bereich des Spektrums und entstehen in der Atmosphäre unserer Erde, weshalb sie von der Verdopplung ausgenommen sind.

Abb. 2: Die H alpha Linie des spektroskopischen Doppelsternes Beta Aurigae

Diese Aufnahme zeigt recht deutlich, was mit dem DADOS Spektrographen und recht einfachen Mitteln bereits möglich ist. Um es zu unterstreichen: Um einen so hellen Stern wie β Aurigae (~1.9m) zu spektroskopieren, reicht ein kleines Teleskop mit einer einigermaßen gut ausgerichteten Montierung, ein wenig Fingerspitzengefühl bei der Nachführung und 2 Nächte mit 20 Minuten klarem Himmel. Allerdings ist eine leichtgewichtige (wegen des 90 Grad Winkels der Fokussieroptik) und gekühlte Kamera mit möglichst kleinen Pixeln sehr hilfreich. Obere Aufnahme entstand zum Beispiel mit einer Atik 214 E.

Leider - und hier wären wir bei einem kleinen Kritikpunkt - läßt sich das System nur recht schwer fokussieren. Dies liegt an Abbildungsfehlern, die aufgrund der gewählten 90 Grad Geometrie zwischen dem einfallendem Lichtstrahl und der das Spektrum abbildendenden Optik in der Kombination mit dem Beugungsgitter an den Rändern der Linien entstehen. Diese können durch eine entsprechende Zeitinvestition in eine exakte Fokussierung nahezu ausgeglichen werden. Am besten man läßt das System - einmal fokussiert - immer in dieser Position zusammengebaut, oder verwendet wirklich ausschließlich den Schwalbenschwanz, um einen Wechsel, etwa zwischen Kamerasystemen und einem Okular durchzuführen.

Gerade im Umgang mit DSLR Kameras, kann es sich es sich - aufgrund der ansonsten mühsamen Fokussiermöglichkeiten auf dem kleinen Bildschirm - durchaus lohnen, ein Fokussierokular zu verwenden. Dann ist es sinnvoll, einen zweiten Schwalbenschwanzaufsatz sowie Verlängerungsadapter für die Okulare mitzubestellen. Heir muß der geneigte Beobachte selbst ein wenig basteln, um die für ihn optimale Kombination zu finden. Für die Fokussierung eignen sich dann vor allem sehr helle, flächenhafte Objekte mit scharfen Linienstrukturen, wie etwa den Fraunhoferlinien des am Mond reflektierten Sonnenlichtes (siehe unteres Bild). Falls kein Mond erstrahlt, bietet sich die optional mitzubestellende Neonglimmlampe an. Sie liefert gute Dienste wenngleich sie den Nachteil hat, daß man in der momentan angebotenen Konfiguration des DADOS, das System zur Fokussierung oder der Kalibration vom Teleskop abnehmen muß.

Abb. 3: Das Spektrum des am Mond reflektierten Sonnenlichtes zeigt deutliche Fraunhofer - Linien. Zum Vergrößern bitte anklicken.

Gitterwechsel und Versuche mit DSLR Kameras

Abb. 4: Spektren von Sternen verschiedener Spektralklassen.

Auch wenn es verlockend ist, immer mit der maximal möglichen Auflösung zu arbeiten: Gerade bei dunkleren Objekten, oder wenn man einen größeren Ausschnitt mit einer einer einzigen Aufnahme abdecken möchte, kann es durchaus Sinn machen, zu dem standardmäßig mitgelieferten 200 Linien / mm Gitter zu wechseln. Für diesen Eingriff sollte man sich eine saubere Arbeitsumgebung schaffen und möglichst vorher die notwendigen Arbeitsschritte durchgegangen sein, damit das Gitter nicht unnötig lange der Gefahr einer Verunreinigung ausgesetzt ist. Wenn man sich noch die notwendigen Arbeitsmaterialien, zurecht legt, ist der eigentliche Vorgang relativ harmlos und kann mit ein wenig Übung in weniger als 10 Minuten durchgeführt werden.

Dabei müssen die Feststell- und die fü den Winkel des Gitters verantwortliche Mikrometerschraube gelöst, der zweite "Würfel" aufgeschraubt und das alte Gitter von der Halterung entfernt werden. Dann kann das neue Gitter in der richtigen, bereits vormarkierten Position eingebracht werden. Diese unterscheiden sich für beide Gitter leicht, da der Beugungswinkel unterschiedliche ist. Für höhere Gitterkonstanten sind bereits weitere Markierungen vorgesehen. Bevor man wieder zur Tat schreitet, sollte man am besten noch am Tage den neuen Fokuspunkt finden und die richtige Beugungsordnung in den Mittelpunkt des Gesichtsfeldes stellen.

Die obere Aufnahme zeigt Abbildugnen verschiedener Sterne mit dem 200 Linien / mm Gitter und einer DSLR Kamera (Canon EOS 400D). Bereits mit dem in diesem Modus kann der DADOS Spektrograph eingesetzt werden, um die dominanten Unterschiede zwischen den Sternklassen sichtbar zu machen. Die historisch entstandenen Spektralklassen O,B,A,F,G,K,M sind entsprechen in der von unten nach oben verlaufenden Reihenfolge der Oberflächentemperaur. So ist es zu verstehen, daß die in der unteren Aufnahme oben liegenden (heißeren) Sterne andere Linien zeigen als die unteren (kühleren) Sterne. Diese gehen dabei "ineinander über" Manch intensive Linie verschwindet auch mit steigender Temperatur (von unten nach oben) , weil die entsprechenden Elemente ionisiert werden und daher kein Leuchtelektron mehr für den Übergang zur Verfügung steht. Andere Linie wird aber auch erst im ionisierten oder im angeregten Zustand, also mit steigender Temperatur sichtbar. Bei den ganz kühlen Sternen, am unteren Ende, der Aufnahme, spielen auch Linien chemischer Verbindungen eine Rolle, die sich erst bei sehr sehr niedrigen Temperaturen bilden. Ganz oben ist mir anstelle eines B -Sternes, ein Be Stern "reingerutscht". Diese Sterne besitzen eine selbstleuchtende Dekretionsscheibe und weisen daher Emissionslinien anstelle von Absorbtionslinien auf.

Fazit

Insgesamt kann man sagen, daß der spektroskopisch geneigte Beobachter ein, für das gebotene Preis-Leistungs Verhältnis, gutes Gerät erhält, welches vor allem für Neulinge auf dem Gebiet der Spektroskopie einen äußerst angenehmen Einstieg ermöglicht. Hier helfen nicht zuletzt die gut durchdachten Details wie etwa die integrierte Möglichkeit, eine Positionier - Okular oder eine Nachführ - Kamera zu adaptieren oder etwa das mitgelieferte Schwalbenschwanz - System. Auch der fortgeschrittene Amateur wird sicherlich seine Freude an diesen Merkmalen finden, wahrscheinlich vor allem im höher auflösenden Modus unter Einsatz des 900 Linien / mm Gitters.

An dieser Stelle bleibt anzumerken, daß es auch Komplettsysteme mit höherer Spektralauflösung zu jedoch deutlich höeren Preisen auf dem Markt gibt. Ich für meinen Teil kann sagen, daß der DADOS mir einen bislang lang gehegten Traum erfüllt hat: Auspacken und loslegen! - Wie könnte der Einstieg schöner sein :-) Ich habe die Entscheidung, mir ein solches Gerät zuzulegen bislang nicht bereut.

Ausblick

Für diejenigen, die auf Spektroskopie der Superlative warten: In naher Zukunft dürfen wir uns auf den, von der gleichen Gruppe entwickelten, BACHES Echelle Spektrographen freuen, den die Firma Baader Planetarium möglicherweise noch vor dem Ende dieses Jahres auf den Markt bringen wird. Die Besucher der ATT - Spektroskopie - Veranstaltung 2009 konnten sich bereits einen ersten Eindruck von dem Prototyp verschaffen und ich muß, sagen - es ist überwältigend! Ohne zu viel zu versprechen kann man, nach dem was hier präsentiert wurde, von einer kleinen Revolution sprechen.

Erstmals wird Amateuren Echelle - Spektroskopie in einem Komplettsystem mit atemberaubender Auflösung eröffnet werden, so daß der vollständige visuelle Spektralbereich in nur einer einzigen Aufnhame abzudecken ist. Zum Vergleich: Die derzeitigen Spaltspektrographen auf dem Markt (auch der hier besprochene) haben ein Auflösungsvermögen von etwa Δλ / &lambda ~ 4000. BACHES wird ein Δλ / &lambda von bis zu 20000 besitzen. Exoplaneten wurden bereits mit weniger spektraler Auflösung von Profis, aber auch Amateuren beobachtet. Mit - der verbalen Ankündigung folgend - etwa 6000 EUR wird das System bei deutlicher höherer Auflösung erschwinglicher sein, als alle derzeit auf dem Markt befindlichen Systeme und Möglichkeiten eröffnen, wie sie sich derzeit nur ganz wenigen Menschen weltweit bieten.