Различные варианты наблюдений на эшелле-спектрографах

Спектроскопические наблюдения дают информацию о распределении интенсивности излучения исследуемого объекта по длине волны. Для многих задач, связанных с определением химического состава вещества и лучевых скоростей, такой информации достаточно. Однако, существует широкий спектр астрофизических задач, для которых критичное значение имеет не только спектральное распределение энергии но и поляризационные свойства излучения объекта в функции длины волны и времени. В астрофизике известно много явлений, приводящих к возникновению поляризации излучения (см., например, Серковски, [1974]). Как правило, поляризация появляется при рассеянии излучения на пылинках, свободных или связанных электронах и т.д., и (или) в присутствии магнитного поля (эффект Зеемана, синхротронное излучение, излучение белых карликов и т.д.). В общем случае излучение от исследуемого объекта представляет собой смесь неполяризованного и эллиптически поляризованного света. Частично поляризованный свет описывается четырьмя параметрами Стокса ($IQUV$):

$$\begin{array}{ccl} I&=&I_0+I_E,\\ Q&=&I\,P_E\,\cos{2\beta}\... ...,\sin{2\theta},\\ V&=&I\,P_E\,\sin{2\beta}=I\,P_V, \end{array}$$ (1)

где $I_0$ и $I_E$ - соответственно интенсивности неполяризованной и поляризованной компоненты излучения, $P_E=\sqrt{P^2+P_V^2}$ - степень эллиптической поляризации, $P=\sqrt{Q^2+U^2}/I$ - степень линейной поляризации, $P_V=V/I$ - степень круговой поляризации ($P_V>0$ - правая эллиптическая поляризация, $P_V<0$ - левая), $\theta$ - позиционный угол большой оси поляризационного эллипса, $\tg{\beta}$ - отношение малой и большой осей эллипса. Частные случаи эллиптической поляризации - линейная поляризация ($V=0$) и круговая поляризация ($Q=U=0, V<>0$). Следует подчеркнуть, что все указанные здесь параметры при спектрополяриметрических наблюдениях являются функциями от длины волны.

По результатам спектрополяриметрических наблюдений определяются параметры Стокса ($I$, $Q$, $U$ и $V$), и из системы уравнений 1 вычисляются степени поляризации $P$ и $P_V$, и углы $\theta$ и $\beta$. На практике более удобно использовать так называемые нормированные параметры Стокса (1, $Q/I$, $U/I$, $V/I$). Далее под параметрами $Q$, $U$ и $V$ будем подразумевать именно их нормированные значения.

Наблюдения в поляриметрическом режиме проводятся с использованием анализатора поляризации, устанавливаемом в предщелевой части спектрографа или после щели. Принцип действия анализаторов линейной и круговой поляризации, используемых в наблюдениях на эшелле-спектрографах телескопа БТА PFES, Рысь и НЭС, и методика наблюдений на этих спектрографах в поляриметрическом варианте описана в работах Панчук и др. (2001а, 2001б, 2002). Отметим только, что для вычисления четырех параметров Стокса необходимо получить как минимум три изображения спектра исследуемого объекта (одно с анализатором круговой поляризации и два с разной ориентацией анализатора линейной поляризации) и таких же три изображения спектра стандартной звезды для вычисления инструментальной поляризации. Каждый спектральный порядок на таких изображениях расщепляется на две компоненты, в качестве примера на рис.?? приведено изображение эшелле-спектра, полученное с анализатором поляризации.

Стремление получить более высокое спектральное разрешение приводит к возрастанию потерь света на щели спектрографа. Так, например, для получения разрешения $R=80\,000$ на спектрографе НЭС необходимо уменьшить ширину входной щели до размеров 04 в проекции на небесную сферу, при этом даже при хороших погодных условиях теряется более 70% света. С целью уменьшения световых потерь при наблюдении с высоким спектральным разрешением мы предложили использовать резатель изображения на три среза в сочетании с эшелле-спектрографом (Панчук и др. 2003), что увеличивает эффективную ширину входной щели в три раза без изменения аппаратной функции спектрографа. На рис. приведен фрагмент ПЗС-кадра с изображением спектра звезды, полученным на спектрографе НЭС с применением резателя изображения. Каждый спектральный порядок повторяется трижды: центральная компонента порядков формируется светом, прошедшим через центральную щель резателя, верхняя и нижняя компоненты формируются светом от боковых щелей резателя.

Удачный опыт внедрения резателей изображения в наблюдения с эшелле-спектрографами позволил создать анализатор поляризации совмещенный с резателем изображения. В таком варианте спектрополяриметрических наблюдений две компоненты изображения звезды режутся на две части, в итоге каждый эшелле-порядок имеет четыре компоненты. На рис. показан участок изображения эшельного спектра звезды, полученного с анализатором поляризации в сочетании с резателем изображения.