تجهيزات نوين براي نورسنجي و طيف‌نگاري نجومي

 نعمت الله رياضی

بخش فيزيک و رصدخانه ابوريحان بيرونی

دانشگاه شيراز

چکيده
در اين مقاله به معرفی برخی از تجهيزات نوين که در رصدخانه‌ها برای انجام نورسنجی و طيف‌نگاری نجومی مورد استفاده قرار می‌گيرند، خواهيم پرداخت. همچنين به اطلاعات فيزيکی که با استفاده از اين تجهيزات به دست می‌آيد و برخی از روش‌های استخراج و کاهش داده‌ها اشاره خواهيم نمود.

 1-    مقدمه
طيف‌نگاری و نورسنجی سال‌هاست که به عنوان دو شيوه اصلی در کسب اطلاعات فيزيکی در مورد اجرام سماوی مورد استفاده قرار می‌گيرند. طيف‌نگاری می‌تواند به شناخت عناصر موجود در جو ستارگان و ابرهای بين ستاره‌ای و نيز سرعت شعاعی چشمه نور کمک کند. شناخت عناصر با استفاده از بررسی طول موج خطوط طيفی، شدت نسبی خطوط، و پهن شدگی خطوط انجام می‌گردد. سرعت شعاعی با استفاده از رابطه دوپلر به استخراج سرعت شعاعی منجر می‌گردد.

قبل از ابداع انواع دستگاه‌های نورسنجی، اين کار توسط راصد و از طريق مقايسه بصری نور ستاره با ستاره‌های همجوار صورت می‌گرفت. حتی امروزه نيز برخی از منجمين آماتور کار نورسنجی از ستارگان متغير بلند دامنه را با چشم دنبال می‌کنند و گزارشات خود را برای AAVSO ارسال می‌نمايند. لامپ‌های حساس به نور، ترانزيستورهای حساس به نور و نهايتا" چيپ‌های سی‌سی‌دی تحولی را در شيوه‌های نورسنجی به همراه داشتند. اندازه‌گيری دقيق تغييرات نوری ستارگان متغير منجر به کسب اطلاعات گسترده‌ای در مورد نوسانات ستارگان (از جمله خورشيد)، ساختار درونی آنها، حرکت ستارگان در فضا، و مدار و مشخصات ستارگان دوتايی گرديد. امروزه از طريق نورسنجی‌های بسيار دقيق، حتی امکان آشکارسازی سيارات فرازمينی که حرکت مداری آنها گرفت‌های متولی را ايجاد می‌کند، فراهم آورده است. با شيوه‌های نوين طيف‌نگاری نيز امکان ثبت حرکت‌های شعاعی بسيار خفيف ستارگان بر اثر گردش سيارات پيرامون آن فراهم شده است. برای رسيدن به دقت کافی برای بررسی سيارات فراخورشيدی، به دقت ميلی قدری در اندازه‌گيری شدت نور و دقت سانتيمتر بر ثانيه در اندازه‌گيری سرعت‌های شعاعی نياز است. اين چنين دقتی با ابزارهای سنتی قابل دسترسی نيست و از اين رو به کارگيری تجهيزات نوين در اينگونه مطالعات امری ضروری است.

 2-   نورسنجی نجومی
 در نورسنجی نجومی، نور جرم سماوی ابتدا توسط يک تلسکوپ جمع آوری شده، در کانون تسلکوپ توسط نورسنج به علائم قابل ثبت تبديل می‌شود. با تحليل اين علائم ثبت شده، شار انرژی نورانی (انرژی دريافتی در واحد سطح عمود بر واحد زمان) در گستره طيفی مورد نظر به دست می‌آيد. 

 2-1 فوتومالتی‌پلاير
فوتومالتی‌پلاير وسيله‌ای است که بر اساس اثر فوتوالکتريک کار می‌کند. فوتون‌ها ضمن برخورد با صفحه حساس فوتومالتی‌پلاير که از جنس فلزی با تابع کار پائين است، فوتوالکترون‌هايی را گسيل می‌دارند (پديده فوتوالکتريک). اين فوتوالکترون‌ها ضمن برخورد با داينودها که بين آن‌ها ولتاژهای متواليا" فزاينده برقرار است، به توليد الکترون‌های بيشتر و بيشتر منجر می‌گردند. به گونه‌ای که در انتها، تعداد الکترون‌های خروجی به حدود يک ميليون تا يکصد ميليون به ازای يک فوتون ورودی می‌رسد. به عبارت ديگر، به ازای هر فوتون ورودی، يک پالس جريان ناشی از حدود يک ميليون الکترون در يک گستره زمانی کوتاه (در حدود چند نانوثانيه) ايجاد می‌شود. عليرغم آنکه در اين فرآيند، تقويت‌شدگی فوق‌العاده‌ای صورت گرفته است، پالس خروجی هنوز برای ثبت توسط دستگاه ثبات بسيار کوچک است. برای تقويت اين پالس، از يک پيش‌تقويت‌کننده خطی استفاده می‌شود. پالس تقويت شده، نهايتا" توسط يک تقويت‌کننده به ولتاژي بين صفر تا يک ولت تبديل و توسط يک شمارشگر شمرده، يا توسط يک مبدل آنالوگ به ديجيتال به داده‌های رقمی تبديل می‌شود. اين داده‌ها توسط رايانه همراه با ساير اطلاعات (مثل زمان، نوع صافی، ضريب تقويت و ...) ثبت می‌گردد.

شرکت هاماماتسو يکی از شرکت‌های سازنده فوتومالتی‌پلاير است، که نمونه‌هايی از توليدات آن در شکل 1 نشان داده شده است. برای راه اندازی فوتومالتی‌پلاير، به يک ولتاژ بالای مستقيم تثبيت شده نياز است. اين ولتاژ که معمولا" بين 1000 تا 2000 ولت انتخاب می‌شود، از طريق مقاومت‌هايی در اختيار داينودها قرار می‌گيرد. در انتخاب منبع ولتاژ مستقيم بايد دقت نمود، زيرا هرگونه نوسانات ولتاژ يا نوفه بر روی کيفيت داده‌های ثبت شده اثر خواهد گذاشت.

شکل 1- لامپ‌های فوتومالتی پلاير (برگرفته از سايت شرکت هاماماتسو)

 2-2 سی‌سی‌دی
سی‌سی‌دی (ابزار بارجفتيده يا Charge Coupled Device ) يکی از دستاوردهای فنآوری نوين است که تصويربرداری نجومی را دچار تحول نموده است. هر سی‌سی‌دی از آرايه‌ای از مربعات بسيار کوچک (با ابعاد در حدود پانزده ميکرون) تشکيل يافته است که به آن‌ها پيکسل می‌گويند. بر اثر برخورد يک فوتون به هر پيکسل، بار الکتريکی کوچکی بر روی آن جمع می‌شود. پس از مدتی که سی‌سی‌دی در معرض نور قرار گرفت، بارهای روی پيکسل‌ها در يک راستا جمع‌آوری و اندازه‌گيری می‌شوند. اطلاعات حاصل از اندازه‌گيری بارها و موقعيت پيکسل‌ها توسط رايانه فرآوری شده و تصوير مربوطه به صورت نرم‌افزاری بازسازی می‌گردد. بنابراين سی‌سی‌دی در عمل چيزی شبيه به فيلم حساس عکسبرداری است، با اين تفاوت که از فيلم تنها يک‌بار می‌توان استفاده کرد در حالی که سی‌سی‌دی پس از هر تصويربرداری دوباره به حالت اوليه خود برگردانده می‌شود و مجددا" آماده بهره‌برداری می‌شود. بديهی است که تفکيک زاويه سی‌سی‌دی در تصويربرداری نجومی محدود به اندازه پيکسل‌های سی‌سی‌دی می‌شود. از اين رو، کمپانی‌های سازنده سی‌سی‌دی دائما" در حال ساخت سی‌سی‌دی‌هايی با پيکسل‌های کوچک‌تر و تعداد بيشتر هستند.

کمپانی کداک، يکی از توليد کنندگان اصلی سی‌سی‌دی است. در رصدخانه‌‌های بزرگ دنيا معمولا" برای دستيابی به ميدان ديد بيشتر و دريافت اطلاعات بيشتر در يک مرحله عکسبرداری، از چند سی‌سی‌دی استفاده می‌کنند که نمونه‌ای از آن در شکل 2 نشان داده شده است. نمونه‌ای از يک تصوير سی‌سی‌دی (تک رنگ) در شکل 3 نشان داده شده است.

بديهی است که پس از تشکيل تصوير، مرحله استخراج اطلاعات شروع می‌شود. اطلاعات نورسنجی معمولا" توسط نرم‌افزارهای استاندارد صورت می‌گيرد. نرم افزارهای IRIS و IRAF نمونه‌هايی از نرم‌افزارهای مشهور برای کاهش اطلاعات تصاوير سی‌سی‌دی هستند.

 شکل 2- آرايه متشکل از 32 سی‌سی‌دی (هرکدام 8 مگاپيکسل) مربوط به OmegaCAM رصدخانه ESO

 
 شکل 3– نمونه‌ای از يک تصوير خام سی‌سی‌دی (رصدخانه ابوريحان بيرونی)

برای دستيابی به دقتی در حدود ميلی قدر، لازم است که سيستم هدايتی تلسکوپ بسيار دقيق باشد و هر شب رصد فريم‌‌های باياس و ميدان تخت قبل و بعد از رصد ستاره متغير تهيه شوند و عملکرد خطی سيستم چک شود.

 
شکل 4 – نمونه ای از نورسنجي دقيق گرفت سياره‌اي  HD 209458  (براون و ديگران، 2001)

 3- طيف‌نگاری نجومی
در يک طيف‌نگار نجومی، نور ستاره يا جرم سماوی که توسط تلسکوپ تشکيل شده است بر روی يک شکاف می‌افتد. در پشت شکاف، يک عدسی ستونی کننده وجود دارد که نور ستاره را به ستونی از نور تبديل می‌کند. اين ستون نور بر روی منشور يا توری می‌افتد. منشور يا توری نور را به مولفه‌‌های طيفی آن با طول موج‌های مختلف تجزيه می‌کند. در انتها، يک عدسی شبيه عدسی دوربين عکاسی، تصاويری از شکاف طيف‌نگار در طول موج‌های مختلف را برروی فيلم عکاسی يا سی‌سی‌دی تشکيل می‌دهد.

در هر طيف‌نگار، توان تفکيک طيفی يکی از پارامترهای مهم کيفيت دستگاه است. هر چه بتوان خطوط طيفی را با دقت و ظرافت بيشتری از يکديگر تفکيک کرد، امکان اندازه‌گيری‌های دقيق‌تر و استخراج اطلاعات مهم‌تر فراهم می‌گردد. البته برای رسيدن به تفکيک بيشتر، علاوه بر طراحی طيف‌نگار، استفاده از تلسکوپ قوی‌تر و سی‌سی‌دی‌های حساس‌تر و با تفکيک بيشتر ضروری است. خوشبختانه در مورد خورشيد، به علت شدت بسيار بالای نور آن، امکان دستيابی به جزييات بسيار ظريف طيف خورشيد وجود دارد.

يکی از فنآوری‌های نوين و انقلابی که امکان اندازه‌گيری سرعت شعاعی با دقت بسيار بالا را فراهم آورده است، استفاده از جذب رزونانسی بخار يد است. چند گروه پژوهشی با استفاده از اين فنآوری موفق شده‌اند سرعت شعاعی يک ستاره را با دقت چند سانتيمتر بر ثانيه اندازه‌گيری کنند. اين اندازه‌گيری‌ها در دهه اخير منجر به کشف سيارات فرازمينی متعددی شده است.

 
 شکل 5– نمودار سرعت شعاعي بر حسب فاز ستارهHD 46375  حاصل از طيف‌نگاري دقيق (رصدخانه كِك)

 4- خلاصه و نتيجه گيری
هر رصدخانه حرفه‌ای مدرن، بايد از امکانات اوليه نورسنجی و طيف‌نگاری برخوردار باشد. در اين مقاله به برخی از اين امکانات نوين اشاره کرديم. البته اانتخاب امکانات بستگی به اندازه تلسکوپ دارد و برای هر تلسکوپ بايد فوتومتر و طيف‌نگار متناسب با آن را تهيه نمود. نورسنجی دقيق با استفاده از فوتومالتی‌پلاير و سی‌سی‌دی امکان‌پذير است. در استفاده از فوتومالتی‌پلاير، تثبيت ولتاژ و تقويت‌کنندگی خطی و در استفاده از سی‌سی‌دی، هدايت دقيق تلسکوپ، فريم‌های مناسب تاريک و ميدان تخت مهم هستند. شيوه‌های نوين نرم‌افزاری و استخراج حداکثر اطلاعات از تصاوير و طيف‌های ثبت شده نيز اهميت خاص خود را دارد که نرم‌افزارهای جديد در اين راستا کمک موثری هستند.

منابع

 Brown, T.M. et al., The Astrophysical Journal, 552:699–709 2001

Delta Scuti Network: http://www.univie.ac.at/tops/dsn/intro.html

http://www.eso.org/instruments/omegaca././font>