WHAPOS – Fasergekoppelter White-Pupil Échelle Spectrograph

WHAPOS ist ein kommerziell verfügbarer, fasergekoppelter White-Pupil-Echelle-Spektrograf, der von Baader Planetarium für Forschungsspektroskopie an Teleskopen mit großer Öffnung entwickelt wurde. Er ist für den visuellen Spektralbereich sowie für Teleskope ab 0,5 m Öffnung konzipiert, bei denen direkt am Teleskop montierte Spaltspektrografen aufgrund von Plattenskala und Seeing-Bedingungen ineffizient werden können.

Das Instrument wurde mit drei zentralen Entwicklungszielen konzipiert: hohe optische Effizienz, hohes spektrales Auflösungsvermögen sowie langfristige mechanische und thermische Stabilität. Damit eignet sich WHAPOS für anspruchsvolle spektroskopische Anwendungen in professionellen Sternwarten, in der universitären Ausbildung, in Forschungsprojekten und in fortgeschrittenen Observatoriumsinstallationen, einschließlich Radialgeschwindigkeitsmessungen.

RWHAPOS deckt den visuellen Spektralbereich von 392 nm to 750 nm ab und erreicht ein spektrales Auflösungsvermögen von R = 24,000 bis 28,000. Die Peak-Effizienz, inklusive Faserlink, jedoch ohne Sensor, ist mit ≥ 30% at 532 nm garantiert und zertifiziert. Das optische Design ist damit darauf ausgelegt, Spektren mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis zu gewinnen und gleichzeitig die für wissenschaftliche Arbeiten erforderliche spektrale Auflösung bereitzustellen.

Typische Öffnungswinkel am Himmel (Sky Aperture) sind:

Damit eignet sich WHAPOS besonders für Teleskope ab 0,5 m Öffnung, bei denen eine effiziente Einkopplung des seeing-begrenzten Sternlichts in den Spektrografen entscheidend ist.

Der Spektrograf ist auf einem kundenspezifischen CFRP-Breadboard aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff aufgebaut, das eine thermische Stabilität vergleichbar mit Super Invar bietet. Präzisionsmechanik mit Flexure-Justierungen aus luftfahrtgeeigneten Materialien unterstützt eine langfristig stabile Ausrichtung. Stoß- und Vibrationsisolierung schützen das optische System während Betrieb und Transport.

Zur thermischen Kontrolle verwendet WHAPOS doppelte thermische Isolationsgehäuse mit aktiver Temperaturstabilisierung und internen Sensoren. Die thermische Stabilität ist durch das integrierte Flüssigkeitskühlsystem bei <0.1 °C spezifiziert. Für Installationen, bei denen die Umgebungstemperatur nicht ausreichend konstant gehalten werden kann, oder wenn maximale Kamerakühlleistung erforderlich ist, kann die Kamera in einen Wasserkühlkreislauf integriert werden.

Im Gegensatz zu kompakten Spektrografen, die direkt am Teleskop montiert werden, verwendet WHAPOS einen teleskopseitigen Fasereingangskopf und eine separate Spektrografen-Bodeneinheit. Die Teleskopschnittstelle sammelt das Sternlicht und führt es über eine optische Faser zum stationären Spektrografen. Dieses Konzept ist besonders bei großen Teleskopen vorteilhaft, bei denen mechanische Last, Plattenskala und Umgebungsstabilität kritische Faktoren darstellen.

Der Faserlink-Adapter wird kundenspezifisch an das jeweilige Teleskop angepasst. Er umfasst eine lasergebohrte, verspiegelte Glas-Pinhole-Platte, dedizierte Linsen und kundenspezifische Eingangsoptiken zur Maximierung der Faser-Einkopplungseffizienz. Eine Monitoring-Kamera ermöglicht die direkte Kontrolle des Sterns am Fasereingang und unterstützt das Autoguiding auf der Eintrittsöffnung. Kalibrationslicht kann über einen remote steuerbaren Klappspiegel in den Faserweg eingekoppelt werden.

WHAPOS benötigt zum Betrieb eine

Ein motorisiertes, remote steuerbares Objektiv zur Fokussierung des Spektrums auf dem Detektor ist integriert. Diese Fokuseinstellung ist Teil des Spektrografen selbst und unabhängig vom Teleskopfokussierer. Der optische Fokus auf dem Detektor kann daher remote optimiert werden, ohne das Instrument zu öffnen.

Eine dedizierte Pipeline für Datenkalibrierung und -reduktion unterstützt den vollständigen Beobachtungsworkflow von der Aufnahme bis zum kalibrierten Spektrum.

Der Spektrograf ist für moderne wissenschaftliche CMOS-Sensoren in der Größenklasse des Gpixel GSENSE 2020 und Sony IMX571 optimiert. Diese Sensoren bieten eine hohe Quanteneffizienz im visuellen Spektralbereich und sind gut auf das optische Design von WHAPOS abgestimmt.

Für schlüsselfertige Installationen kann WHAPOS mit vorinstallierter und werkseitig justierter wissenschaftlicher Kamera sowie Guiding-Kamera geliefert werden. Dadurch sind Detektorposition, Fokus und Ausrichtung bereits vor der Auslieferung optimiert. Kundenspezifische Kameras können ebenfalls verwendet werden, sofern der verfügbare Backfocus und die mechanische Schnittstelle geeignet sind.

Die WHAPOS-Bodeneinheit ist als kompaktes Observatoriumsinstrument ausgelegt und kann in einem temperaturkontrollierten Raum unterhalb oder in der Nähe des Teleskops installiert werden. Dadurch bleibt der Spektrograf mechanisch von der Bewegung des Teleskops entkoppelt und kann in einer stabileren Umgebung betrieben werden.

Das vollständige Instrument inklusive Gehäuse wiegt ca. 65 kg. Durch die kompakte Standfläche passt es auf eine Standard-Europalette. Das zweite thermische Gehäuse dient zugleich als IP67-zertifizierte Transportbox, wodurch WHAPOS einfach transportiert, installiert und an Observatoriumsstandorten in Betrieb genommen werden kann.

WHAPOS ist für Sternwarten, Universitäten und forschungsorientierte Teleskopinstallationen vorgesehen, die einen hochauflösenden Echelle-Spektrografen mit höherer Einkopplungseffizienz und Stabilität benötigen, als ein kompakter, direkt am Teleskop montierter Spektrograf an großen Teleskopen bieten kann.

Typische Anwendungen sind:

• Universitäre Lehr- und Forschungsprojekte
• Spektroskopische Monitoring-Programme
• Radialgeschwindigkeitsmessungen
• Aktivität junger Sterne, spektrale Energieverteilungen und photosphärische Linien
• Bedeckungsveränderliche Doppelsterne und transitierende Exoplaneten
• Follow-up-Beobachtungen von transienten Ereignissen, Novae, Supernovae, Flare-Sternen usw.

WHAPOS ist damit die passende Wahl für Kunden, die ein stabiles, effizientes und remote bedienbares Spektrografensystem für große Teleskope benötigen – anstelle eines kompakten, direkt montierten Spektrografen für kleinere Observatoriumsaufbauten.