El enfoque del
espectrógrafo MES-SPM
18 septiembre
2006
Michael Richer
De vez
en cuando, se surgen dudas en cuanto al enfoque del espectrógrafo MES-SPM así
como peticiones de enfocar el espectrógrafo fuera del rango de 5000-6750Å
usado para la gran mayoría
de las observaciones. El objetivo
aquí es explicar varios asuntos relacionados con el enfoque del MES-SPM y como
se debería enfocar. Agradezco la
paciencia y el esfuerzo de John Meaburn y José Alberto López de explicarme los
detalles de mucho de lo que sigue.
Enfoque normal
El
MES-SPM tiene una cámara lenta con cociente focal ~f/8. Normalmente, no existe ninguna
necesidad de enfocar el espectrógrafo cuando se le instala en el
telescopio. El enfoque usualmente
se conserva de una instalación a otra.
Esta situación contrasta con la de los espectrógrafos Boller &
Chivens y echelle REOSC cuyos cámaras tienen cocientes focales mucho más
rápidas, de ~f/2 y f/1.4, respectivamente. La posición exacta del CCD cambia cada vez que se enfría el
detector y su montura, por lo cual el CCD no cae en el mismo plano cada vez que
se instala en el instrumento. Las
cámaras rápidas de los espectrógrafos Boller & Chivens y echelle REOSC son
sensibles a estos cambios pequeños y, como consecuencia, es necesario
enfocarles cada vez que se instalan en el telescopio. Dado que el espectrógrafo MES-SPM tiene una cámara mucho más
lenta, es también mucho menos sensible a estas pequeñas diferencias en posición
y no tienen un efecto significativo sobre el enfoque del instrumento. Por esta razón, normalmente no es
necesario enfocar el MES-SPM cuando se le instala en el telescopio.
La resolución de la
cámara
Un efecto que provoca dudas con respecto al enfoque del espectrógrafo es la resolución alta de la cámara del MES-SPM. La cámara puede trabajar a una resolución de casi 100,000. Como resultado, no tiene dificultad en resolver las rendijas de 70 o 150 micras que se usan normalmente. Es decir, la cámara ve estas rendijas como objetos resueltos y no como líneas infinitamente delgadas. Por esta razón, los perfiles de las líneas de la lámpara de comparación ThAr tienen formas más cuadradas que una gausiana. En la práctica, no se nota tanto este efecto porque se elije el “binning” del CCD para muestrear la rendija con 2.6-2.8 píxeles. Con este muestreo del CCD (un concepto distinto a la resolución de la cámara), el perfil de la rendija será solamente ligeramente más cuadrada que un perfil gausiana. La Fig. 1 presenta el perfil de la rendija de 150 micras observada con el CCD SITe3 con un binning 2x2 (el ancho de la rendija es de ~2.7 píxeles FWHM). En este caso, el perfil de la rendija es ligeramente más ancha a media altura que el perfil gausiano. Igualmente, la cima del perfil de la rendija es algo más plana que una gausiana. Ambos efectos ilustran que la cámara resuelve la rendija. Por lo tanto, estos efectos son evidencia de un buen foco y no razón de preocuparse.
Fig.
1: El perfil de la rendija de 150 micras, CCD SITe3 con binning 2x2.
La Fig. 2 demuestra que la cámara resuelve fácilmente la
rendija. En esta figura, se ve la
misma línea espectral observada a través la misma rendija de 150 micras, pero
ahora con el CCD con un binning de 1x1 en lugar de 2x2. En este caso, es evidente que la cima
del perfil es más plana que el ajuste gausiano. Dado que no hay gran ventaja en muestrear la rendija con
muchos píxeles, se usa el CCD con un binning de 1x1 con la rendija de 70 micras
y un binning de 2x2 con la rendija de 150 micras. En principio, la rendija de 30 micras permite alcanzar el
límite de resolución de la cámara, pero el CCD SITe3 no puede muestrear
adecuadamente (con ~2.4 píxeles FWHM) los perfiles resultantes.
Fig.
2: El perfil de la rendija de 150 micras, CCD SITe3 con binning 1x1.
Se
señala que la forma del perfil no afecta a la calibración en longitud de onda,
dada que no es afectada por distorsiones simétricas con respecto a la forma
gausiana. En otras palabras, no
existe sesgo en la determinación del centro del perfil si la forma es
distorsionada de manera igual de ambos lados del centro de la línea.
Finalmente, aunque se podría preocupar que la forma del perfil de la rendija afectaría a la cinemática medida para objetos celestiales, esto tampoco no tiene caso. Tanto la calidad de imagen como el guiado asegurarán que el objeto no se mantendrá inmóvil sobre la rendija, lo que efectivamente suaviza el perfil de la rendija en una forma muy parecida a la gausiana.
Enfocando el
espectrógrafo
Como se
mencionó anteriormente, no es necesario enfocar el espectrógrafo para
observaciones el intervalo de longitud de onda normalmente usado,
5000-6750Å. (El foco debería estar
igualmente bien en todo el intervalo de diseño, 3900-7000Å.) Normalmente, es imposible cambiar el
foco del espectrógrafo dado que las lentes están fijadas en su posición, lo que
implica que la interfaz de usuario ignorará peticiones de moverlas (el botón
“lenses” aparece en gris; ver Fig. 3). Si sea necesario cambiar el foco, es
necesario quitar el freno de las lentes para permitir su movimiento. Esta acción también activa el botón
“lenses” de la interfaz gráfica (aparece en negro) a través de lo cual se
efectúan los movimientos de las lentes.
Se enfoca el espectrógrafo usando imágenes de la rendija de 70 micras
iluminada con luz difusa (durante el día). El enfoque se logra moviendo las lentes para minimizar la
anchura de la imagen de la rendija.
El Manual de Usuario provee más
información sobre la interfaz gráfica.
Fig.
3: La interfaz gráfica del MES-SPM
La
receta para enfocar el MES-SPM
1. Desactive el freno de las
lentes. (Este paso se hace en el
piso de observación. El freno es
la manija bronceada en la Fig. 4.) Se debe aflojarla bastante para
desactivar el freno de las lentes.
Se oye un “clic” cuando se desactiva. En cuanto se desactiva el freno, el botón “lenses” de la
interfaz gráfica cambiará de gris a negro.
2. Posicione el filtro con lo cual
se desee enfocar. Inserte el
espejo. Posicione la rendija de 70
micras en el haz. Cambie el
binning del CCD a 1x1.
3. Obtén una imagen de la rendija
en luz difusa. (Ni se tiene que
abrir las tapas del telescopio.)
4. Mida la anchura de la imagen de
la rendija, p. ej., con imexamine en IRAF.
5. Cambie la posición de las lentes
por 10 unidades.
6. Repita los pasos 2-5 hasta
minimizar la anchura de la imagen de la rendija (2.6-2.8 píxeles, FWHM).
7. Para filtros al azul del
intervalo de longitud de onda usual, es necesario mover el codificador de las
lentes a números menores (el botón “lenses” de la interfaz gráfica).
8. Tome un espectro de la lámpara
de ThAr para averiguar que también está enfocado.
9. Apriete el freno de las
lentes. No es necesario forzarlo,
pero sí conviene apretarlo firmemente.
NUNCA use el espectrógrafo con el freno de las lentes flojo.
freno de las lentes (manija bronceada)
Fig.
4: El espectrógrafo MES-SPM puesto en el telescopio de 2.1m. Se
indica la manija del freno de las lentes.
Es
necesario comparar el tamaño de la imagen con la anchura de las líneas
espectrales porque existen combinaciones de longitud de onda y foco cuando no
están simultáneamente en igualmente buen foco. El filtro [O iii]5007
que se usa con el MES-SPM presenta un ejemplo ilustrativo. Siguiendo el método descrito, el “mejor
foco” ocurre con el codificador de las lentes en una posición 40 unidades más
bajo que la posición del mejor foco para H alfa. Sin embargo, espectros de la lámpara ThAr están en mejor
foco en la posición de mejor foco para H alfa. (Las anchuras de las líneas de la lámpara ThAr tienen
anchuras muy similares en los filtros H alfa y [O iii]5007 en la posición del mejor foco para H alfa.) También, espectros de objetos celestes
tienen un mejor enfoque para la posición del mejor foco para H alfa que en la posición
determinada con imágenes de la rendija en el filtro [O iii]5007. Por
lo tanto, la posición correcta del enfoque para el filtro de [O iii]5007 es en la posición del mejor
foco para H alfa. Así, conviene
enfocar para la longitud de onda de H alfa, pero esta posición se utiliza para
el intervalo 5000-6750Å. La razón
que estos resultados contradictorios suceden es que el plano donde se pliegue
el haz es diferente en modo de imagen directa y en espectroscopia (vea Meaburn et al. (1984) o Meaburn et al. (2003) para diagramas
ópticos). Cuando haya duda de cual
posición de foco adoptar, un espectro de una fuente brillante (Orion, la Lira,
etc.) con espectro de emisión debería resolver cual posición entrega la mejor
resolución espectral.
La Fig. 5 presenta la variación del enfoque en el caso del
filtro nebular He ii 4686 de la
serie I nebular galáctica. Notar
que ambos perfiles se obtuvieron con la rendija de 70 micras. El perfil “fuera de foco” (“out of
focus) se obtuvo con el codificador en la posición de buen foco para H alfa
mientras que el perfile enfocado (“in focus”) se obtuvo con una posición del
codificador del orden de 50 unidades más baja. En este caso, la posición de foco para imagen y
espectroscopia coincidieron.
Fig.
5: Una comparación de los perfiles enfocados y fuera de foco.