Mein selbstgebauter Spektroheliograph – Die Sonne im neuen Licht

Die Sonne ist ein faszinierendes Objekt. Ihre Oberfläche ist ständig in Bewegung und ihre Aktivität kann uns spannende Einblicke in die Dynamik unseres Sterns liefern. Um diese Phänomene genauer zu untersuchen, habe ich mich entschlossen, einen eigenen Spektroheliographen zu bauen.

Was ist ein Spektroheliograph?

Ein Spektroheliograph ist ein optisches Gerät, das es ermöglicht, die Sonne in einem extrem schmalen Wellenlängenbereich zu beobachten. Dadurch werden Strukturen sichtbar, die in unterschiedlichen Schichten der Sonnenatmosphäre liegen. Während die H-Alpha-Linie vor allem Details der Chromosphäre zeigt, lassen sich in der Kalzium-K-Linie Prozesse in der höheren Photosphäre und unteren Chromosphäre beobachten. Mit diesem Instrument kann man Sonnenflecken, Protuberanzen und Filamente mit beeindruckender Detailtreue erfassen.

Wie funktioniert ein Spektroheliograph?

• Zunächst wird das Sonnenlicht über ein Teleskop oder eine Linse gesammelt und in den Spektroheliographen geleitet. Die Aufgabe des optischen Systems ist es, die Sonne möglichst präzise auf den Eintrittsspalt des Spektroheliographen abzubilden.
  
  
• Hinter dem Spalt befindet sich ein Kollimator, welcher das Licht parallelisiert und auf das Beugungsgitter leitet.

• Das Beugungsgitter – das Herzstück des Spektroheliographen – zerlegt das Licht anschließend in seine spektralen Bestandteile.

• Nach der spektralen Zerlegung fokussiert ein Kameraobjektiv das Licht auf einen Detektor, beispielsweise eine CMOS-Kamera. Jedes Pixel des Detektors repräsentiert dabei eine spezifische Wellenlänge.

• Da der Sol'Ex nur Licht entlang einer schmalen Spaltlinie analysiert, muss das gesamte Instrument kontinuierlich über die Sonnenscheibe bewegt werden. Diese Bewegung wird von der Montierung des Teleskops übernommen und ermöglicht die Erstellung eines vollständigen Spektralbildes.

Geeignete Kameratypen für den Spektroheliographen

Für die Aufnahme eignen sich vor allem hochwertige monochrome Planetenkamers, die eine hohe Bildrate und geringe Rauschwerte bieten. Da die Daten oft in Form von Videos im SER-Format aufgenommen werden, ist eine schnelle USB-Übertragung essenziell, um hohe Bildraten ohne Datenverluste zu ermöglichen.

Die besten Kameras für den Spektroheliographen sollten folgende Eigenschaften haben:

1. Monochrome Sensoren
   
   
   • Farbkameras sind weniger geeignet, da die Bayer-Matrix die spektrale Auflösung verringert.
   • Monochrome Sensoren liefern eine bessere Detailgenauigkeit für schmale Spektralbereiche wie H-Alpha (656,3 nm) oder Calcium-K (393,4 nm).
     
     
2. Hohe Bildrate (FPS – Frames per Second)
   
   
   • Mindestens 60 FPS, idealerweise mehr als 100 FPS

3. Schnelle USB-Schnittstelle für hohe Datenübertragungsraten

• USB 3.0 oder USB 3.1 ist dringend empfohlen, da große Bildmengen in kurzer Zeit verarbeitet werden müssen.
  
  
3. Geeignete Pixelgröße
   
   
   • Eine Pixelgröße zwischen 3 µm und 5 µm ist ideal für Spektroheliographen, um eine gute Balance zwischen Auflösung und Lichtempfindlichkeit zu gewährleisten.

Der Bau meines Spektroheliographen

Meine Anregung für den Bau kam von der Webseite des französischen Amateurastronomen Christian Buil. Auf seiner Plattform "SolEx" beschreibt er detailliert, wie man einen Spektroheliographen selbst konstruieren kann. Das Gerät ist so konzipiert, dass es mit einem 3D-Drucker gefertigt werden kann. Die Gehäuseteile sind modular aufgebaut und lassen sich leicht zusammenfügen. Die für den Bau benötigten STL-Druck-Dateien sowie umfassende Anleitungen für die Konfiguration und Bedienung stehen kostenlos auf dieser Webseite zur Verfügung.

Die Seite ist in französischer Sprache abgefasst. Viele moderne Browser bieten aber eingebaute Übersetzungsfunktionen an. Für schnelle und einfache Übersetzungen ist die automatische Funktion z. B. in Google Chrome völlig ausreichend.

Optische Komponenten

Alle im Sol’Ex-Projekt benötigten optischen Komponenten werden in Kit-Form von Shelyak Instruments vertrieben.



Quelle: https://www.shelyak.com/produit/kit-optique-pour-spectroheliographe-solex/

Berechnung der Parameter mit SimSpec SHG

Das SimSpec SHG-Tool (eine Excel-Datei, die auf der Sol'Ex-Website verfügbar ist) wurde speziell entwickelt, um die wichtigsten Betriebsparameter eines Spektroheliographen zu simulieren und zu berechnen. Es hilft Anwendern dabei, den Sol'Ex optimal auf ihre spezifischen Anforderungen abzustimmen.

Vor dem Bau des Sol’Ex ermöglicht SimSpec SHG eine detaillierte Simulation der späteren Leistung. Dies hilft, die richtigen optischen Komponenten (z. B. Spaltbreite, Gitter) und die optimale Teleskopkonfiguration auszuwählen.

Während der Beobachtungen kann das Tool genutzt werden, um die Scan-Geschwindigkeit und andere Parameter genau anzupassen, abhängig von den aktuellen Beobachtungsbedingungen.

Bildauswertung

Für die Bildrekonstruktion und Auswertung wird speziell dafür geschriebene Software benötigt.  Folgende Programme können hierfür eingesetzt werden:

• SHG (Spectroheliograph) Software
  
  SHG ist ein Werkzeug zur Rekonstruktion von Solaraufnahmen, die mit einem Spektroheliographen erstellt wurden. Ursprünglich als Abspaltung des INTI-Projekts entwickelt, bietet sie Funktionen zur Verarbeitung von Videodateien im SER-Format, um detaillierte Bilder der Sonnenscheibe zu erzeugen. Die aktuelle Version 4.3 ist als Windows-Executable verfügbar und benötigt keine separate Python-Installation.
  
  Quelle: https://github.com/thelondonsmiths/Solex_ser_recon_EN/releases/tag/v4.3_Windows
  
  
• INTI
  
  INTI ist eine weitere spezialisierte Software zur Verarbeitung von Spektroheliograph-Daten. Sie ermöglicht die Rekonstruktion von Solaraufnahmen aus SER-Videodateien und bietet eine Vielzahl von Funktionen zur Bildoptimierung. Die Software ist unter http://valerie.desnoux.free.fr/inti/ verfügbar.
  
  
• JSol’Ex (mein Favorit)
  
  JSol'Ex ist eine in Java entwickelte Software. Obwohl sie primär für Sol'Ex entwickelt wurde, kann sie auch mit Daten anderer Spektroheliographen verwendet werden. Die Software ist plattformübergreifend verfügbar und bietet eine Vielzahl von Funktionen zur Bildrekonstruktion und -analyse. JSol’Ex ist verfügbar für Windows, Linux und MacOS.​
  Erweiterte Funktionen: Automatische Korrektur des P-Winkels, schnelle Bildausrichtung durch Vergleich mit Referenzbildern, "Excess Speed"-Erkennung zur Analyse von Materieauswürfen und ein Spektrum-Explorer.  Ein integriertes Skriptsystem ermöglicht die Erstellung von benutzerdefinierten Bildern.​
  
  Quelle: https://melix.github.io/astro4j/2.11.1/en/jsolex.html#_downloads

Die ersten Ergebnisse – H-Alpha und Calcium-K

Nach einigen Justierungen und Tests konnte ich die ersten Bilder aufnehmen – und die Resultate waren beeindruckend! Besonders in H-Alpha zeigte sich die Sonne sehr detailliert: Filamente, Sonnenflecken und Protuberanzen wurden sichtbar, als würde man in eine völlig neue Welt eintauchen.

Hier einige Beispiele - alle berechnet mit dem Programm jSol'Ex:

HAlpha bei einer Wellenlänge von 656,3 nm	HAlpha - negativ
HAlpha coloriert	HAlpha - Protuberanzen
HAlpha - Dopplereffekt	Protuberanzen - Dopplereffekt

Dieses Bild entstand durch die Anwendung eines Overlay-Gitters auf der Scheibe, das die Ausrichtung der Sonne zeigt (erzeugt mit JSol'Ex)

Auch die Aufnahmen in der Kalzium-K-Linie waren erstaunlich. Diese Wellenlänge erlaubt es, magnetische Strukturen auf der Sonne besonders gut darzustellen. Die feinen, netzartigen Strukturen der unteren Chromosphäre wurden deutlich sichtbar.

Der Bau eines Spektroheliographen ist sicherlich eine Herausforderung, doch die Ergebnisse rechtfertigen diesen Zeitaufwand.

Falls du dich für die Sonnenbeobachtung interessierst, kann ich nur empfehlen, dich mit dem Thema zu beschäftigen. Mit ein wenig Geduld, technischem Geschick und der richtigen Software – wie jSolEx – kann man unglaubliche Ergebnisse erzielen.

Die Sonne wartet darauf, von dir entdeckt zu werden.