Spektroskopie von Sternen mit einer CD-ROM

Als Astrofotograf stellt man je nach Wohnort erschreckend fest, wie oft es bewölkt oder teilweise bewölkt ist. Wenn zumindest immer mal wieder Wolkenlücken den Blick auf die Sterne freigeben, gibt es ein paar kleinere Projekte, mit denen man sich gut beschäftigen kann. Zum Beispiel die Aufnahme von Sternspektren mithilfe des vorhandenen Astrofotoequipments und einer CD-ROM. Um die Ausrüstung für diese Art Low-Cost Spektroskopie fit zu machen braucht es lediglich eine leere CD-ROM, eine leere Klopapierrolle, eine Schere sowie etwas Klebeband.

Die CD-ROM als optisches Gitter

In Spektrometern für den optischen Bereich können prinzipiell zwei verschiedene Bauteile zum Einsatz kommen, um die Strahlung in die einzelnen Wellenlängen aufzutrennen. Diese Bauteile nennt man “wellenlängendispersive Elemente“. Zum einen können optische Prismen zum Einsatz kommen. Beim Durchgang des Lichts durch ein Prisma werden die einzelnen Wellenlängen der Strahlung unterschiedlich stark gebrochen und verlassen in unterschiedlicher Richtung das Prisma. Die Aufspaltung der Wellenlängen geschieht aber nicht linear. Blaues Licht wird beispielsweise deutlich besser voneinander getrennt als langwelligeres, rotes Licht.

Aus diesem Grunde werden zur Spektroskopie oft optische Gitter eingesetzt, welche die Wellenlängen der einfallenden Strahlung linear auftrennen. Abhängig davon, ob das Licht am Gitter reflektiert wird oder durch das Gitter hindurchgeht, spricht man von Reflexions- oder Transmissionsgittern.

Dafür eignet sich eine herkömmliche CD-ROM. Denn eine CD-ROM hat ganz fein aufgeprägte Rillen mit einem Abstand von etwa 1,6µm und verhält sich deshalb wie ein solches optisches Gitter. Betrachtet man die CD-ROM von hinten mit Blick auf die spiegelnde Bedruckung, dann wirkt sie wie ein Refelktionsgitter (Abb. 1).

Abb. 1; Die CD-ROM als Refektionsgitter

Entfernt man die Reflektionsschicht, dann erhält man eine durchsichtige Kunststoffscheibe mit dem aufgeprägten Rillenmuster und beim Durchstrahlen von Licht fungiert die CD-ROM nun als Transmissionsgitter. Ein Laserstrahl durch solch eine transparente CD-ROM wird in mehrere Ordnungen gebeugt (Abb. 2).

Abb. 2: Ein Stück einer CD-ROM als Transmissionsgitter

Für das Selbstbau-Spektroskop im Strahlengang des Teleskops ist eine CD-ROM als Transmissionsgitter am praktikabelsten. DVDs sind wegen des deutlich geringeren Abstands der Rillen ungeeigneter. Ein Einsatz mit einer CD-ROM für das Teleskop ist schnell gebastelt …

Ein Transmissionsgitter aus einer CD-ROM basteln

In diesem Beispiel verwende ich als Ausgangsmaterialien eine leere CD-ROM (700 MB mit 1,6µm Gitterabstand), eine Schere, eine leere Klopapierrolle, Klebeband und Stifte zur Markierung. Als Unterlage gegen ein Zerkratzen der CD habe ich ein Mikrofasertuch verwendet (Abb. 3).

Abb. 3: Materialien für das CD-ROM Spektrometer

Die Klopapierrolle hat die charmante Eigenschaft, dass sie quasi genau in meinen Canon EF/M48 Adapter passt und ich sie deshalb als Halterung verwenden kann. Bei anderen Bajonetten kann es sein, dass eine Klopapierrolle nicht passt. Auch gibt es das Unterschiede im Durchmesser je nach Hersteller. Hier muss man dann ggf. kreativ werden.

Schritt 1: Verstärken der Rolle und anpassen der Halterung

Zur Verstärkung der Klopapierrolle diese mit Panzer-Tape oder einem anderen, stabilen Klebeband umwickeln (4a). Anschließend je nach Tiefe des Adapters ein Stück der Rolle abschneiden (4b) und anschließend auf die Tiefe des Adapters anpassen (4c).

Abb. 4: Verstärken und Zurechtschneiden des Halters
Schritt 2: Ausschneiden und vorbereiten der CD-ROM

Mit dem ausgeschnittenen Ring aus dem vorangegangenen Schritt wird nun ein Kreis mit Filzstift auf der bedruckten CD-ROM Oberfläche markiert. Dann kann der Kreis mit einer Schere ausgeschnitten werden (5a). Um die Bedruckung loszuwerden, wird ein Stück Klebeband auf die bedruckte Seite der ausgeschnittenen CD geklebt. Nach gutem Anpressen kann die Bedruckung durch Abreißen des Klebebands entfernt werden(5b).

Abb. 5: Ablösen der Beschriftung und fixieren im Halter

Anschließend wird das transparente Stück der CD in den Halter aus Schritt 1 mit Klebeband fixiert. (5c). Zugegeben, sieht nicht schön aus – taugt aber für ein bisschen einfache Spektroskopie von hellen Sternen.

Einbau in den Strahlengang

Zum Testen habe ich das CD-Gitter mit dem Halter in den Strahlengang meiner Astrofotoausrüstung platziert. Dabei habe ich das Gitter in den Adapter Kamera/M48 und somit zwischen Komakorrektor und DSLR-Kamera gegeben. Ausgerichtet habe ich die CD so vor dem Sensor, dass der kleine Rest des Innenrings der CD rechts oder links auf der Seite platziert war (Abb.6).

Abb. 6: Platzierung der CD vor dem Sensor

Der Rest des Equipments wurde so belassen. In der Anordnung wie in Abb. 6 versucht man später den zu spektroskopierenden Stern im Live-View der Kamera an die rechte oder linke Seite auf mittiger Höhe zu platzieren. So erreicht man, dass das Spektrum möglichst auf der Waagerechten des Sensors bestmöglich dargestellt wird.

Ein Praxistest

Nach zig Tagen mit dichter Wolkendecke habe ich einen Abend mit Wolkenlücken genutzt, um ein bisschen Low-Cost Spektroskopie an hellen Sternen zu versuchen. Nach dem Einnorden habe ich zuerst Vega ins Visier genommen. Zwar ist Vega mit der Spektralklasse A wenig spektakulär im Spektrum, aber halt sehr hell und gut geeignet, um das gesamte System in den Fokus zu bringen. Das erste Roh-Spektrum von Vega mit meinem Low-Cost Spektrometer ist in Abb. 7 zu sehen.

Abb. 7: RAW Aufnahme von Wega durch das Low-Cost CD-ROM Spektrometer

Nach der Aufnahme des Vega-Spektrums habe ich dann das Teleskop noch auf Capella als hellen Stern der Spektralklasse G und zuletzt auf Beteigeuze im Orion mit der Spektralklasse M gerichtet. Die mittels Photoshop bearbeiteten Spektren aus den Rohbildern sind in Abb. 8 zu sehen.

Abb. 8: Spektren von Vega, Capella und Beteigeuze

Auch wenn natürlich ein solcher Low-Cost Aufbau stark limitiert ist, so ist doch die steigende “Metallizität” in den Spektren gut zu erkennen. Bei Vega als Stern der Spektralklasse A sind wenn überhaupt die Absorptionslinien von Wasserstoff am auffälligsten. Die eigentlich auch vorhandene H-alpha Linie im roten Bereich ist nicht zu erkennen, jedoch können H-beta und H-gamma erahnt werden.

Bei Capella wird zustätzlich zu den Wasserstofflinien die Natrium-d-Linie schwach erkennbar. Auch sieht das Spektrum schon “metallischer” aus und viele nicht näher zugeordnete Linien sind schwach erkennbar.

Bei Beteigeuze schließlich sind viele Bereiche mit starker Absorption auszumachen. Ich bilde mit ein, hier (unter Vorbehalt) zumindest die Titanoxid-Banden halbwegs verlässlich zuordnen zu können.

Fazit

Das Ergebnis ist für einen Aufbau mit einem Materialaufwand von ca. 5€ für eine CD-ROM, eine Rolle Klopapier und etwas Klebeband wirklich gelungen. Auch wenn eine richtige Zuordnung von Spektrallinien nicht möglich ist, so ist die steigende Metallizität in den Spektren deutlich erkennbar. Schon mit so einem gefrickelten CD-ROM Spektrometer lassen sich die Spektralklassen der drei Sterne optisch auseinanderhalten. Dies gelingt zwar wie gesagt nur ohne Zuordnung der Linien, aber alleine die Tatsache, dass dies geht, ist erstaunlich.

Auch wenn ich mich mit der Spektroskopie durch eine CD-ROM sicher nicht regelmäßig beschäftigen werde war das schon ein lustiges Projekt mit für mich überraschend deutlichem Ergebnis.

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