Wie wird ein chemisches Zusammensetzungsspektrum eines Himmelskörpers erstellt?

Das Spektrum, das Sie von Titan zeigen, wurde mit dem IRIS - Spektrometer an Bord von Voyager 1 aufgenommen . Voyager 2 hatte natürlich auch einen. Es wurde viel Arbeit in die Entwicklung und Optimierung des Designs gesteckt, um ein präzises optisches Instrument zu entwickeln, das sowohl die hohen G-Kräfte und Vibrationen des Starts als auch die Jahre in einer Weltraumumgebung überstehen würde, während die Voyager es zu den Planeten brachte. Aus Wikipedia:

Frühe Versionen der IRIS wurden in den 1960er Jahren auf Nimbus 3 und Nimbus 4 geflogen. 1971 wurde ein früher Prototyp auf Mariner 9 verwendet, um den Mars zu untersuchen.

Aus dem weiter unten näher besprochenen Paper Infrared spectrometer for Voyager sind einige dieser Verbesserungen:

• Die mit schnellen Vorbeiflugmessungen verbundenen Entfernungen sind viel länger und erfordern ein enges Sichtfeld.
• Ein niedriger Pegel der spektralen Strahldichte (SR) erforderte eine erhebliche Reduzierung des Rauschäquivalents SR des Instruments.
• Das Spektrometer musste bei einer kalten (200 +/- 0,5 K) Temperatur laufen, damit es seine eigene IR-Wärmestrahlung nicht sehen würde. Es behielt auch eine Temperaturstabilität von 0,1 K pro Tag bei!
• Die Kalibrierung musste während des Fluges durchgeführt werden
• Strahlungshärtung, um besonders die Umgebung mit hoher Strahlung um Jupiter zu überleben
• Gewichts- und Stromverbrauchsminimierung für diese Weltraumreise

---

Wenn wir an Spektrographen denken, denken wir normalerweise an einen schmalen Spalt, ein Beugungsgitter zum Spreizen des Spektrums und einen positionsempfindlichen Detektor wie ein CCD. Natürlich werden für andere Wellenlängen andere Arten von Detektoren verwendet, und frühe Spektrographen verwendeten stattdessen fotografischen Film.

Aber die Voyager hatte ein Spektrometer . Wie in diesem Quora ausgeführt , während ein Spektrograph das Spektrum ausbreitet und viele Wellenlängen gleichzeitig misst, misst ein Spektrometer die Intensität einer Wellenlänge nach der anderen . Dies kann eine viel engere Auflösung ermöglichen, die notwendig ist, um eng beabstandete Spektrallinien zu sehen.

Die Spektrometer der Voyagers (jetzt beide deaktiviert) sind Michaelson-Interferometer . Es gibt eine Illustration des Instruments unten. Das größte Merkmal ist das große Teleskop, um genug Licht zu sammeln, um ein starkes Signal zu erhalten, nachdem die Wellenlänge so stark gestreut wurde. In dieser Antwort sehen Sie ein hervorragendes Foto des Teleskops , es ist wunderschön!

Das Kalibrierungsverfahren für IRIS wird in Voyager Infrared Interferometer Spectrometer (IRIS) erläutert .

Verfahren:

Ich wollte empfehlen, Voyager Infrared Spectrometer von Stuart A. Borman zu lesen. Analytischer Chemiker, v. 53, no. 13, Nov. 1981, aber ich sehe jetzt, dass es Paywalled ist. Ich werde nach einer zugänglicheren Rezension suchen.

Das Michaelson-Interferometer ist im zweiten Bild von IRIS-D besser zu erkennen. Die Idee ist, dass Sie einen Lichtstrahl kohärent teilen und ihn dann mit einem Strahlteiler wieder kombinieren, wobei jedoch einer der Wege länger als der andere ist. Die Interferenz der beiden Strahlen ist für jede Wellenlänge unterschiedlich. Sie messen die Intensität sorgfältig, während Sie einen der Spiegel bewegen, und zeichnen eine sehr lange Reihe von Intensitäten auf. Zusammengenommen wird dieses Diagramm der Interferenzintensität gegenüber der Spiegelposition als Interferogramm bezeichnet .

Lesen Sie mehr im Wikipedia-Artikel zur Interferometrie .

In den IRIS-Systemen an Bord des Voyager-Raumfahrzeugs bewegte sich der Spiegel während eines Scans über eine Gesamtstrecke von 1,58 mm mit einer Geschwindigkeit von 0,0351 mm/s.

Das Interferogramm wird gespeichert und später an das Deep Space Network zurückgesendet. Zurück auf der Erde nehmen die Wissenschaftler dann die Fourier-Transformation des Interferenzsignals vor, um das ursprüngliche Spektrum zu rekonstruieren.

In diesem (kostenpflichtigen) OSA-Artikel Infrared spectrometer for Voyager (R. Hanel, D. Crosby, L. Herath, D. Vanous, D. Collins, H. Creswick, C. Harris und M. Rhodes, Applied Optics Vol. 19, Ausgabe 9, S. 1391-1400 (1980) • https://doi.org/10.1364/AO.19.001391 )

unten: Voyagers IRIS-Spektrometer, von hier .

unten: IRIS-D-Spektrometer für Nimbus-4, ab hier .

unten x2: Aus Analytical Chemist, v. 53, no. 13, Nov. 1981 Voyager Infrared Spectrometer von Stuart A. Borman.

Sie verwenden ein Werkzeug namens Spektrograph . Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, diese herzustellen, eine der am einfachsten zu verstehenden ist ein Prisma. Dieses Prisma zerlegt das einfallende Licht in eine große Anzahl von Farben, die dann gescannt und die Intensität gemessen werden kann, um solche Gegenstände zu erkennen.

Es geht wirklich nur darum, ein Teleskop mit einem daran befestigten Spektrographen auf den Planeten zu richten. Sie müssen berücksichtigen, was das Licht verändert haben könnte, wie die Erdatmosphäre (wenn es von der Oberfläche aufgenommen wird), Eingangslicht usw. Ja, es steckt noch viel mehr dahinter, hauptsächlich in dem Sinne, dass es richtig kalibriert ist, und Es gibt ein paar Tricks, wie die Verwendung eines Sterns, der durch das Ziel fliegt, um die Atmosphäre zu betrachten, aber das sind die Grundlagen.

Um zu wissen, welchen Chemikalien es entspricht, nehmen sie eine Eingangslichtquelle auf der Erde und strahlen sie durch eine bekannte Menge jedes Gases, um zu untersuchen, was das Licht mit dem Gas macht. Dann können sie einige Mischungen vergleichen, um sicherzustellen, dass die Spitzen oder Täler gleich sind.