¿Cuál es el proceso para producir un espectro de composición química de un cuerpo celeste?

El espectro que muestra de Titán se tomó con el espectrómetro IRIS a bordo de la Voyager 1 . Por supuesto, la Voyager 2 también tenía uno. Se dedicó una gran cantidad de trabajo a desarrollar y optimizar el diseño para desarrollar un instrumento óptico preciso que sobreviviera tanto a la alta fuerza G y las vibraciones del lanzamiento, como a los años en un entorno espacial mientras la Voyager lo llevaba a los planetas. De Wikipedia:

Las primeras versiones del IRIS volaron en las Nimbus 3 y Nimbus 4 de la década de 1960. En 1971, se utilizó un prototipo inicial en la Mariner 9 para examinar Marte.

Del espectrómetro infrarrojo de papel para Voyager que se analiza más adelante, algunas de estas mejoras son:

• Las distancias asociadas con las mediciones de sobrevuelo rápido son mucho más largas y requieren un campo de visión estrecho.
• El bajo nivel de radiación espectral (SR) requería una reducción sustancial en el ruido SR equivalente del instrumento.
• El espectrómetro tenía que funcionar a una temperatura fría (200 +/- 0,5 K) para que no viera su propia radiación térmica IR. ¡También mantuvo una estabilidad de temperatura de 0.1K por día!
• La calibración tuvo que hacerse en vuelo
• Endurecimiento por radiación para sobrevivir, especialmente en el entorno de alta radiación alrededor de Júpiter.
• minimización del peso y el consumo de energía para este viaje al espacio profundo

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Cuando pensamos en espectrógrafos , generalmente pensamos en una rendija estrecha, una rejilla de difracción para expandir el espectro y un detector sensible a la posición como un CCD. Por supuesto, para otras longitudes de onda se usan diferentes tipos de detectores, y los primeros espectrógrafos usaban película fotográfica en su lugar.

Pero la Voyager tenía un espectrómetro . Como se señaló en este Quora , mientras que un espectrógrafo extiende el espectro y mide muchas longitudes de onda a la vez, un espectrómetro mide la intensidad de una longitud de onda a la vez . Esto puede permitir una resolución mucho más estrecha necesaria para ver líneas espectrales poco espaciadas.

Los espectrómetros de las Voyagers (ahora ambos desactivados) son interferómetros de Michaelson . Hay una ilustración del instrumento a continuación. La característica más importante es el telescopio grande para recolectar suficiente luz para obtener una señal fuerte después de dispersar tanto la longitud de onda. Puedes ver una excelente foto del telescopio en esta respuesta , ¡es hermoso!

El procedimiento de calibración para IRIS se explica en el espectrómetro de interferómetro infrarrojo Voyager (IRIS) .

Procedimiento:

Iba a recomendar la lectura del espectrómetro infrarrojo Voyager de Stuart A. Borman. Químico Analítico, v. 53, no. 13 de noviembre de 1981, pero ahora veo que es de pago. Buscaré una reseña más accesible.

El interferómetro de Michaelson es más fácil de ver en la segunda imagen de IRIS-D. La idea es que divida coherentemente un haz de luz y luego los vuelva a combinar con un divisor de haz pero con una de las rutas más larga que la otra. La interferencia de los dos haces es diferente para cada longitud de onda. Mide cuidadosamente la intensidad mientras mueves uno de los espejos y registras una serie muy larga de intensidades. Juntos, este gráfico de la intensidad de la interferencia frente a la posición del espejo se denomina interferograma .

Lea más en el artículo de Wikipedia sobre interferometría .

En los sistemas IRIS a bordo de la nave espacial Voyager, el espejo se movió una distancia total de 1,58 mm durante un escaneo, a una velocidad de 0,0351 mm/seg.

El interferograma se almacena y luego se transmite de vuelta a la Red del Espacio Profundo. De vuelta en la Tierra, los científicos toman la transformada de Fourier de la señal de interferencia para reconstruir el espectro original.

Hay una reseña del espectrómetro IRIS en este artículo de la OSA (de pago) Espectrómetro infrarrojo para Voyager (R. Hanel, D. Crosby, L. Herath, D. Vanous, D. Collins, H. Creswick, C. Harris y M. Rhodes, Applied Optics Vol. 19, Número 9, págs. 1391-1400 (1980) • https://doi.org/10.1364/AO.19.001391 )

abajo: espectrómetro IRIS de la Voyager, desde aquí .

abajo: espectrómetro IRIS-D para Nimbus-4, desde aquí .

abajo x2: De Analytical Chemist, v. 53, no. 13 de noviembre de 1981 Espectrómetro infrarrojo Voyager de Stuart A. Borman.

Utilizan una herramienta llamada espectrógrafo . Hay varias formas de hacerlos, uno de los más fáciles de entender es un prisma. Ese prisma divide la luz entrante en una gran cantidad de colores, que luego se pueden escanear y medir la intensidad para detectar dichos elementos.

Realmente todo lo que está involucrado es apuntar un telescopio al planeta con un espectrógrafo adjunto. Debe tener en cuenta lo que podría haber cambiado la luz, como la atmósfera de la Tierra (si se toma de la superficie), la luz de entrada, etc. Sí, hay mucho más, principalmente en el sentido de estar correctamente calibrado, y hay algunos trucos como usar una estrella que pasa a través del objetivo para mirar la atmósfera, pero esto es lo básico.

En cuanto a cómo saben a qué sustancias químicas corresponde, toman una fuente de luz de entrada en la Tierra y la hacen brillar a través de una cantidad conocida de cada gas, estudiando lo que la luz le hace al gas. Luego pueden comparar algunas mezclas para verificar que los picos o valles sean iguales.