научная статья по теме СПИСОК ЛИНИЙ ТАНТАЛА ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ПО ДЛИНАМ ВОЛН ЭШЕЛЛЕ-СПЕКТРОГРАФА HAMILTON Астрономия

Текст научной статьи на тему «СПИСОК ЛИНИЙ ТАНТАЛА ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ПО ДЛИНАМ ВОЛН ЭШЕЛЛЕ-СПЕКТРОГРАФА HAMILTON»

УДК 520.8.07+520.843

СПИСОК ЛИНИЙ ТАНТАЛА ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ПО ДЛИНАМ ВОЛН ЭШЕЛЛЕ-СПЕКТРОГРАФА HAMILTON

© 2015 г. Ю. В. Пахомов*

Институт астрономии Российской академии наук, Москва, Россия Поступила в редакцию 30.03.2015 г.; принята в печать 13.05.2015 г.

Представлено решение для калибровки по длинам волн эшелле-спектрографа Hamilton с использованием лампы полого катода, эксплуатировавшейся на телескопе Shane Ликской обсерватории до 9 июня 2011 г. Спектр лампы, заявленной как торий-аргоновая, содержит, кроме линии тория и аргона, ряд неизвестных линий, отождествленных с танталом. С использованием атомных данных измеренных линий тантала и тория оценена температура газа в лампе T = 3120 ± 60 K. Из базы атомных параметров спектральных линий VALD3 выбраны все линии TaI и TaII, которые могут быть видимы в спектре лампы, и составлен список для использования при обработке спектральных наблюдений. Отмечено ограничение точности калибровки вследствие влияния эффекта сверхтонкого расщепления.

DOI: 10.7868/S0004629915100059

1. ВВЕДЕНИЕ

Лампы полого катода являются основным источником реперных спектральных линий для калибровки спектров по длинам волн. Лампы представляют собой запаянную стеклянную колбу, заполненную инертным газом, внутри которой помещен цилиндрический катод с металлическим напылением. Под действием электрического тока газ в лампе нагревается, частично ионизуется, его атомы переходят в возбужденное состояние и излучают фотоны на соответствующих длинах волн. Кроме того, атомы и ионы газа начинают бомбардировать поверхность катода, выбивая атомы металла, которые в свою очередь также излучают фотоны со своими характерными длинами волн. В результате спектр лампы содержит линии, по крайней мере, двух элементов (элемент газа и элемент катода) в двух стадиях ионизации. Газом чаще всего служат аргон, гелий, неон или их комбинации, а катод покрывают тонким слоем какого-либо металла. Промышленность выпускает десятки вариантов ламп с различными напылениями катода: алюминием, железом, золотом, кальцием, хромом, висмутом, цезием и т.д. В астрономической практике самой распространенной является торий-аргоновая лампа благодаря многочисленным спектральным линиям, более или менее равномерно расположенным по всему оптическому диапазону. Нередко применяют и железо-аргоновые лампы, особенно для калибровки наблюдений в синей части спектра.

E-mail: pakhomov@inasan.ru

Калибровка по длинам волн является неотъемлемой частью обработки спектральных наблюдений. Некачественная калибровка — это источник всевозможных ошибок при определении лучевых скоростей и отождествлении спектральных линий, а следовательно, она влечет за собой ошибки научных результатов. Чтобы провести аккуратную калибровку, необходимо знать длины волн реперных спектральных линий с ошибкой, по крайней мере на порядок меньшей ширины инструментального профиля спектрографа 5Л ~ 0.1X/R, где Л — длина волны, R — спектральное разрешение. Для торий-аргоновых ламп существуют несколько списков и атласов, которые включены в известные системы обработки наблюдений MIDAS и IRAF. Существуют и более подробные списки линий, например [1 —

3].

В марте 2011 г. в рамках заявки "A systematic study of NLTE abundance of nearby dwarfs" (научный руководитель Zhao Gang, NAOC, Китай) были получены спектральные наблюдения 6 звезд с помощью спектрографа Hamilton, установленного на 3-м телескопе Shane Ликской обсерватории (Калифорнийский университет, США). Использовалась ПЗС-матрица e2v CCD203-82 (4 кпикс. х 4 кпикс., размер пикселя 12 мкм, сосуд Дьюара № 4) и торий-аргоновая лампа (S&J Box, Westinghouse WL23418, условное обозначение ThAr02) в качестве источника спектра сравнения. Спектральное разрешение составило R = 60 000. Процедура обработки наблюдений была проведена в пакете "echelle" программного

комплекса MIDAS. На ПЗС-кадре определены положения 115 эшелле-порядков в диапазоне 3373—

10915 A. Калибровка по длинам волн начинается с отождествления некоторых относительно ярких линий аргона, и далее программа автоматически отождествляет наблюдаемые в спектре линии со списком реперных линий thar100.tbl. Для качественной калибровки необходимо отождествление более половины всех наблюдаемых линий по всему спектру, а также не менее 5 линий в каждом эшелле-порядке. Однако программа смогла отождествить всего около 5% спектральных линий. Внимательное рассмотрение ПЗС-кадра выявило наличие около 20 неизвестных ярких линий с

длинами волн от 4700 до 6500 A, которые обычно не наблюдаются в спектрах торий-аргоновых ламп. Линии тория в среднем ослаблены, и в то же время некоторые линии из списка даже не наблюдаются в спектре лампы. Эти две причины и привели к сбою в калибровке по длинам волн.

Описанная ситуация заставила искать решение проблемы, и оно было найдено путем отождествления неизвестных линий с элементом тантал; этому посвящен раздел 2 данной статьи. Для дальнейшей калибровки необходимо было составить список линий тантала (раздел 3). В разделе 4 приводится пример калибровки с использованием созданного списка линий и обсуждается его точность. Результат, полученный в этой работе, будет полезным для качественной обработки спектральных данных, полученных во время работы исследуемой лампы на спектрографе Hamilton до 9 июня 2011 г. Кроме того, похожая картина расположения ярких линий тантала наблюдается и для другой лампы Ликской обсерватории под условным обозначением ThAr07 (Westinghouse Box, Westinghouse WL32809, время эксплуатации с 17 февраля 1995 г. по 19 июня 2011 г.), которая также с большой вероятностью является ThTaAr-лампой.

Ранее мы уже сталкивались с подобной проблемой использования калибровочных ламп в Лик-ской обсерватории [4]. Поэтому применим похожую методику для решения и этой задачи.

2. ОТОЖДЕСТВЛЕНИЕ НЕИЗВЕСТНЫХ ЛИНИЙ

Отметим, что в практике не бывает двух абсолютно одинаковых ламп полого катода. Различия физических характеристик и условий, таких как давление и температура газа, напряжение тока, степень выгорания лампы, приводят к различным относительным интенсивностям спектральных линий. Однако самые сильные линии сохраняются и отражают характерную картину на ПЗС-кадре.

Примером этого служат очень сильные линии аргона в районе 7000—8000 A. На сайте Ликской обсерватории1 можно сравнить спектры ламп, используемых в спектрографе Hamilton. Легко увидеть, что из десятка ламп большинство показывают почти идентичные картины, за исключением ламп ThAr01, ThAr02 и ThAr07. Первая была нами определена как TiAr-лампа [4].

Для отождествления неизвестных линий была проведена предварительная калибровка по линиям аргона и тория. Для некоторых эшелле-порядков, где есть достаточное количество этих линий, достигается точность калибровки лучше, чем 0.005 A. Для других порядков, где линий аргона мало, а линии тория слишком слабы, использовалось двухмерное решение эшелле-уравнения, что обеспечило точность около 0.03—0.05 A. В спектре калибровочной лампы было всего найдено 1815 линий. Вокруг каждой из этих линий на расстоянии менее ДА = 0.1 A (далее называем областью обнаружения) из базы атомных параметров спектральных линий VALD3 [5] была сделана выборка всех спектральных линий, принадлежащих более 70 возможным нейтральным атомам и ионам в первой стадии ионизации. Для каждого элемента посчитано общее количество возможных отождествлений. Затем область обнаружения линий была сужена

до ДА = 0.05 A, и также было найдено количество отождествлений элементов. Идея метода состоит в том, что случайно попавшие в область обнаружения элементы покажут двухкратное снижение количества отождествлений при переходе ДА от

0.1 до 0.05 A, тогда как элементы лампы должны сохранить свое количество или незначительно его уменьшить. Из итогового списка были выброшены элементы с количеством отождествлений менее 100 (около 5%), поскольку обычно элемены катода образуют гораздо больше спектральных линий.

На рис. 1 показано количество отождествлений No.o5 при ДА = 0.05 A и его относительное изменение N0.05/N0.i0 . Видно, что подавляющее большинство элементов концентрируются около значения N0.05/N0.i0 = 0.5, тогда как три элемента (торий, аргон и тантал) заметно отличаются по своему положению, уменьшив количество отождествлений на 15—25%.

На рис. 2 показано сравнение спектра исследуемой лампы из 109-го эшелле-порядка, содержащего три ярких неизвестных линии, со спектром торий-аргоновой лампы, установленной в спектрографе EMMI (телескоп NTT, Европейская южная обсерватория). Общими деталями в спектрах являются линии тория и аргона, а три ярких линии

1 http://mtham.ucolick.org/techdocs/techref/ThAr/

N

0.05

2000

1500

1000

500

0.6 0.7

N0.05/N0.10

Рис. 1. Количество элементов, спектральные линии которых попадают в область обнаружения размером 0.05 А, и относительное изменение этого количества при уменьшении области обнаружения с 0.10 до 0.05 А.

0

(ЛЛ 5212.73, 5218.43 и 5230.80 А) и ряд относительно слабых линий присутствуют только в исследуемой лампе. Проверка положений спектральных линий тантала полностью подтвердила, что элементами катода являются тантал и торий.

3. ПОСТРОЕНИЕ СПИСКА ЛИНИЙ ТАНТАЛА

В приближении локального термодинамического равновесия (ЛТР) без учета самопоглощения интенсивность спектральной линии, образованной в результате спонтанного излучения, описывается выражением I х (д//Л3)ехр(—Е/кТ), где д — статистический вес верхнего уровня, / — сила осциллятора для заданного перехода, Л — длина волны спектральной линии, Е — энергия возбуждения верхнего уровня, к — постоянная Больцмана и Т — температура газа. Строго говоря, в лампах полого катода нет ЛТР, и настоящие вычисления имеют оценочный характер.

Для построения списка линии тантала необходимо выбрать из базы данных такие спектральные линии, интенсивность которых превышала бы минимально зарегистрированную интенсивность в спектре исследуемой лампы. А это требует абсолютной калибровки спектра по потокам. Кроме

того, необходимо знать температуру газа, которую можно оценить из спектральных линий, используя значения их абсолютной или относител

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком