By/par Dennis Crabtree (NRC-Herzberg)
with contributions from/avec des contributions de David Bohlender, Greg Burley, Alan McConnachie, and Dmitry Monin
(Cassiopeia – Autumn/Automne 2015)
These reports will appear in each issue of E-Cass with the goal of informing the Canadian astronomical community on the activities at NRC Herzberg. Feedback is welcome from community members about how NRC Herzberg is doing in fulfilling our mandate to “operate and administer any astronomical observatories established or maintained by the Government of Canada” (NRC Act).
General News
A BC-registered non-profit organization, Friends of the Dominion Astrophysical Observatory Society, has been formed. The main purposes of this new organization are to “promote interest and awareness of the DAO” and to restart the public education and outreach activities provided by the Centre of the Universe which NRC Herzberg closed in 2013 due to budget limitations. The organization has a website (Friends of the DAO) and is also on Facebook (www.facebook.com/FriendsDAO).
DAO Telescopes
The venerable DAO 1.2-m and 1.8-m telescopes continue to operate on every clear night in Victoria and we encourage new users and especially students to consider applying for time. The telescopes are scheduled on a quarterly basis with proposal deadlines nominally one month prior to the start of each calendar quarter.
Robotic operations are proving to be very popular on the 1.2-m telescope with typically 60% of the nights scheduled for automatic operation. While this telescope has no imaging capabilities, its McKellar spectrograph offers a large number of grating and camera configurations to provide spectra with dispersions between 2.4 and 40.9 Å/mm. Wavelength coverage is limited by the SITe-4 CCD’s 60 mm length. In good conditions during robotic nights we regularly obtain spectra for objects as faint as V = 11, mainly for radial velocity measurements using a cross-correlation analysis. Re-aluminizing of the primary mirror will take place in September.
Now in its 97th year of operation the 1.8-m Plaskett telescope offers users imaging, spectroscopy and spectropolarimetric capabilities. Spectroscopic programs (with a choice of dispersions between 10 and 120 Å/mm) continue to be most popular with the telescope but for several years about 20% of the time has been allocated to programs that use the dimaPol polarimeter module. This provides circular polarization measurements of a 300 Å region entered on the H-beta line and is being used to search for new magnetic upper main sequence stars as a complement to large programs being executed at the CFHT and other observatories. Imaging at the modified Newtonian focus is also possible and the dedicated E2V-1 CCD provides a 23.9’ x 10.6’ field of view. Contract observing services are available to applicants if preferred; this can provide insurance against long stretches of bad weather, especially in the winter months, since you are billed only for useful observing hours.
Given the success of the 1.2-m telescope automation our most recent DAO development efforts are concentrating on upgrades of the Plaskett telescope, dome and control software to eventually enable similar robotic operation of the 1.8-m telescope and spectrograph or imager. A new telescope control system has been released, the dome shutter and wind curtains are now controlled through the network, a rain sensor is in operation, and an updated absolute encoder has been installed on the RA axis to greatly improve telescope tracking. We anticipate installing new limit and horizon switches in the coming months; unlike the 1.2-m we have the extra complication of having to avoid collisions of the 1.8-m telescope with the pier or dome! Once this critical protection is installed and a number of other pieces are in place we will begin testing automated (but supervised) observations during the next several semesters.
Please feel free to contact David Bohlender (david.bohlender@nrc-cnrc.gc.ca) or Dmitry Monin (dmitry.monin@nrc-cnrc.gc.ca) at NRC Herzberg for further information.
Gemini GHOST Spectrograph
The GHOST project is a partnership with AAO, ANU, NRC and Gemini to design and build a high-resolution, fiber-fed spectrograph for Gemini South. The project lead – the AAO – are developing the fiber feed and fiber injection optics, ANU are providing the software, and NRC are developing the bench spectrograph and thermal enclosure. GHOST has been under intensive development and is currently nearing the end of its design phase.
The instrument includes a dual fiber feed for resolutions of 75,000 (high-resolution mode) and 50,000 (low-resolution mode). The wavelength range is from 363nm to 950nm, with the blue/red crossover at 535nm. The entire optical spectrum is obtained in a single observation. The bench spectrograph is a based on a high-efficiency echelle grating with VPH cross-dispersers. It is a dual beam (Red + Blue) optical design, with two independently operated CCD detectors to ensure high throughput across the full wavelength range.
For best instrument stability, the bench spectrograph is located in the telescope pier lab, and is housed in a temperature stabilized thermal enclosure. Although not optimized for precision radial velocities, it is expected that a radial velocity precision of a few m/s will be possible with GHOST.
Figure 1 – CAD drawing of GHOST optical bench layout
In the design and development phase, NRC engineers have been creating the optical design and opto-mechanical layout, designing and prototyping the detector system, and working on the enclosure concept and design. Critical and final design reviews are scheduled for the end of 2015/first quarter of 2016, and first light is expected to be in early 2018.
Montreal-Ohio-Victoria Echelle Spectrograph (MOVIES)
The Montreal-Ohio-VIctoria Echelle Spectrograph (MOVIES) is a collaboration between NRC, Université de Montréal and Ohio State University, and was one of 4 feasibility studies chosen through a competitive selection process for a 6 month, CAD100K study, as part of the process initiated by Gemini to design a new “Generation 4” instrument. The Feasibility Study Report was submitted to Gemini on August 24, 2015.
MOVIES is a broad bandwidth, moderate resolution (R3 – 10K) dual arm optical and near infrared (NIR) échelle spectrograph that simultaneously covers 0.36 – 2.45μm. It is supported by a rapid acquisition camera operating simultaneously in two optical and one NIR bands. MOVIES is designed for obtaining spectra of the faint Universe with high throughput, high efficiency and high reliability.
An essential and defining characteristic of MOVIES is that it will capitalize on Gemini’s “target of opportunity” mode. MOVIES will acquire targets (including starting the acquisition exposure, reading out the images, identifying the target, centering and verifying the object in the slit, switching to guiding mode and starting the science exposure) within 90 seconds. The acquisition and guiding cameras have large fields of view (3 x 3 arcmins) to ensure good sky coverage, to facilitate precise astrometry, and to enable blind acquisition when necessary. Two optical and one near-infrared acquisition images are obtained simultaneously, to easily acquire targets with an unknown spectral distribution. Further, they are designed to be used as simultaneous multi-band imagers to obtain “one-shot color-color diagrams”, and they are an important science imaging capability in their own right.
High throughput is achieved by the dual-arm design, where optimized optics in each arm and VPH gratings minimize light loss. The design has been developed to allow for a minimum number of optical elements per arm. Detectors optimized for broad wavelength ranges in the optical and NIR are used with coatings that further enhance their efficiency. For the optical arm, an option is included of using a large format electron multiplying CCD as the primary science detector; when used in EM-mode (large gain), these detectors allow for a very significant increase in observing efficiency obtained relative to normal CCDs for faint targets.
Figure 2 – Schematic of the MOVIES spectrograph
Further, zero-read noise in these detectors gives the option of temporal and spectral binning post-processing at potentially extremely high (hertz) cadence, opening up a new domain of high cadence optical spectroscopy for energetic, variable and/or transient observations. MOVIES will be reviewed by Gemini at the end of September. For more information on any aspect of MOVIES, Canadian contacts include:
Lead (NRC): Alan McConnachie (alan.mcconnachie@nrc-cnrc.gc.ca), Lead (UdM): René Doyon (doyon@astro.umontreal.ca), Leslie Saddlemyer (Leslie.Saddlemyer@nrc-cnrc.gc.ca), Olivier Hernandez (olivier.hernandez@umontreal.ca), and Étienne Artigau (artigau@ASTRO.UMontreal.CA).
Les rubriques qui suivent reviendront dans chaque numéro du bulletin et ont pour but de tenir les astronomes canadiens au courant des activités de CNRC Herzberg. Les commentaires des astronomes sur la manière dont CNRC Herzberg accomplit sa mission, c’est-à-dire « assurer le fonctionnement et la gestion des observatoires astronomiques mis sur pied ou exploités par l’État canadien » (Loi sur le CNRC), sont les bienvenus.
Généralités
Un organisme sans but lucratif enregistré en C.-B. a vu le jour sous l’appellation Friends of the Dominion Astrophysical Observatory Society. Cet organisme a pour buts principaux de faire connaître l’Observatoire fédéral d’astrophysique (OFA) et de rehausser l’intérêt qu’on lui porte. Il relancera les activités de vulgarisation publiques au Centre de l’univers dont le CNRC avait dû fermer les portes en 2013 faute de fonds. La société possède un site Web (Friends of the DAO) et une page Facebook (www.facebook.com/FriendsDAO).
Les télescopes de l’OFA
Les vénérables télescopes de 1,2 m et de 1,8 m de l’OFA continuent d’explorer le firmament chaque nuit quand le ciel est dégagé, à Victoria, et nous encourageons les nouveaux utilisateurs, les étudiants surtout, à solliciter du temps d’observation. Le calendrier des télescopes est établi trimestriellement, les astronomes ayant jusqu’à un mois avant le début du trimestre pour soumettre leurs demandes.
La robotique est en vogue au télescope de 1,2 m, où 60 % des nuits sont typiquement consacrées aux observations automatiques. Bien que l’instrument ne soit pas doté d’un imageur, son spectrographe autorise de nombreuses configurations de réseau et d’appareil photo de manière à restituer un spectre dont la dispersion varie de 2,4 à 40,9 Å/mm. La longueur du DCC de SITe-4 (60 mm) limite toutefois les longueurs d’onde couvertes. Quand les conditions sont bonnes, les observations automatisées restituent régulièrement le spectre d’objets d’une luminosité aussi faible que V = 11, ce qui permet essentiellement de calculer la vitesse radiale par corrélation croisée. Le miroir principal du télescope recevra un nouveau revêtement d’aluminium en septembre.
Exploité depuis 97 ans, le télescope Plaskett de 1,8 m propose des services d’imagerie, de spectroscopie et de spectropolarimétrie. Les programmes spectroscopiques (dispersion de 10 à 120 Å/mm) demeurent les plus populaires, mais depuis plusieurs années, on alloue 20% du temps d’observation environ aux programmes qui recourent au polarimètre dimaPol. Ce module permet d’établir la polarisation circulaire d’une zone de 300 Å centrée sur la raie H-bêta; on s’en sert pour chercher le champ magnétique de nouvelles étoiles dans le haut de la séquence principale en complément aux grands programmes poursuivis au CFHT et dans d’autres observatoires. Le télescope autorise aussi la prise d’images au foyer de type newtonien modifié, tandis que le DCC dédié de l’E2V-1 offre un champ de vision de 23,9 pi x 10,6 pi. Les astronomes qui le préfèrent peuvent conclure une entente afin de réserver du temps d’observation. Pareille entente sert en quelque sorte d’assurance contre les périodes prolongées d’intempéries, ce qui est particulièrement commode en hiver, puisque seules les heures d’observation utiles sont facturées.
Compte tenu du succès remporté par l’automatisation du télescope de 1,2 m, les plus récents travaux de perfectionnement réalisés à l’OFA se concentrent sur le télescope Plaskett, la coupole et le logiciel de commande, l’idée étant de robotiser de la même manière le télescope de 1,8 m ainsi que son spectrographe ou son imageur. Un nouveau système de contrôle du télescope a été mis en place, l’obturateur de la coupole et les volets coupe-vent sont désormais commandés par réseau, un détecteur de pluie est en service et l’on a installé un codeur absolu plus moderne sur l’axe AR, ce qui améliore considérablement les capacités de poursuite de l’instrument. Durant les mois qui viennent, nous devrions installer de nouveaux commutateurs pour l’horizon et la limite (contrairement au télescope de 1,2 m, celui de 1,8 m pourrait heurter la coupole ou le pilier, ce qui nous complique la tâche!). Dès que ces systèmes de protection cruciaux seront fonctionnels et que quelques autres composants seront en place, nous entamerons les observations automatiques (sous surveillance) pour quelques semestres.
N’hésitez pas à communiquer avec David Bohlender (david.bohlender@nrc-cnrc.gc.ca) ou Dmitry Monin (dmitry.monin@nrc-cnrc.gc.ca) à CNRC Herzberg pour en savoir plus.
Le spectrographe GHOST de Gemini
Le projet GHOST, auquel collaborent l’AAO, l’ANU, le CNRC et les observatoires Gemini, a pour but de concevoir et de bâtir un spectrographe à haute résolution alimenté par fibre optique pour le télescope Gemini Sud. L’AAO, qui pilote le projet, met au point le système d’alimentation par fibre optique et les éléments d’optique qui injecteront la lumière dans les fibres. L’ANU procurera le logiciel et le CNRC développera le banc de spectrographie de même que l’enceinte thermique. Les travaux de développement se poursuivent rondement et l’étape conceptuelle du projet tire à sa fin.
L’instrument sera alimenté par un double système de fibres optiques autorisant une résolution de 75 000 (haute) ou de 50 000 (faible). Il couvrira les longueurs d’onde de 363 nm à 950 nm, avec décalage bleu/rouge à 535 nm. La totalité du spectre sera obtenue en une seule observation. Le spectrographe repose sur un réseau échelle à haut rendement pourvu de dispositifs VPH à dispersion croisée. Les deux faisceaux optiques (rouge et bleu) sont reliés à autant de détecteurs DCC commandés séparément, ce qui garantit un débit élevé pour toute la plage de longueurs d’onde.
Pour conférer la plus grande stabilité à l’appareil, le spectrographe a été installé au laboratoire dans le pilier du télescope, à l’intérieur d’une enceinte thermique dont on stabilise la température. Bien que le GHOST ne soit pas optimisé pour établir la vitesse radiale avec précision, on s’attend à pouvoir la mesurer à quelques m/s près.
Figure 1 – Diagramme CAO du banc optique du GHOST
Durant la phase de conception et de développement, les ingénieurs du CNRC ont tracé les plans des systèmes optiques et optomécaniques, ont conçu le système de détection et créé un prototype, et ont travaillé à la conception de l’enceinte. Les examens du concept des étapes critique et finale devraient avoir lieu à la fin de 2015 et au premier trimestre de 2016, avec mise en service prévue au début de 2018.
Le spectrographe MOVIES (Montreal-Ohio-Victoria Echelle Spectrograph)
Le projet MOVIES est une collaboration entre le CNRC, l’Université de Montréal et l’Université d’État de l’Ohio. Il fait partie des quatre études de faisabilité retenues au terme d’un processus de sélection par concours concernant un projet de six mois de 100 000 CAD lancé par les observatoires Gemini en vue de créer un nouvel appareil de quatrième génération. Le rapport de l’étude de faisabilité a été remis aux responsables des observatoires Gemini le 24 août 2015.
MOVIES est spectrographe échelle à grande largeur de bande et à résolution moyenne (R3 – 10K) doté d’un bras pour la lumière visible et d’un second pour le proche infrarouge couvrant simultanément les longueurs d’onde de 0,36 à 2,45 μm. S’y ajoute un appareil photo à saisie rapide fonctionnant simultanément dans deux bandes optiques et une bande du proche infrarouge. L’appareil est conçu pour capter le spectre de l’univers peu lumineux à un débit élevé, avec un fort rendement et une grande fiabilité.
Un aspect capital et caractéristique du spectrographe MOVIES est qu’il exploitera au maximum le mode « cible occasionnelle » de Gemini. Quatre-vingt-dix secondes lui suffiront pour saisir la cible (démarrer l’exposition d’acquisition, lire les images, identifier la cible, centrer l’objet dans la fente et le vérifier, passer en mode guidage et démarrer l’exposition scientifique). Les appareils photo d’acquisition et de guidage embrassent un champ de vision assez grand (3 x 3 minutes d’arc) pour que l’on couvre une bonne partie du ciel, ce qui facilitera une astrométrie précise tout en permettant une saisie aveugle au besoin. L’instrument capte simultanément deux images dans le spectre visible et une dans le proche infrarouge, si bien qu’il est facile d’acquérir des cibles dont la distribution spectrale est inconnue. Ces dispositifs sont aussi conçus pour servir d’imageurs simultanés dans de nombreuses bandes et restitueront des diagrammes couleur-couleur instantanés. En soi, leurs capacités d’imagerie revêtent une grande importance pour la science.
Le concept du double bras, dont l’optique est optimisée et où un réseau VPH minimise l’affaiblissement du signal lumineux, garantit un débit élevé, car il mise sur le principe de la minimisation des éléments d’optique dans chaque ramification. Des détecteurs optimisés pour capter une grande fourchette de longueurs d’onde dans le spectre visible et le proche infrarouge ont été rendus plus efficaces encore grâce à un revêtement spécial. Le bras du spectrographe opérant dans la lumière visible permet, si on le désire, l’usage d’un DCC multiplicateur d’électrons de grand format comme détecteur principal, à des fins scientifiques. En mode multiplication d’électrons (gain important), ces détecteurs augmentent considérablement la valeur des observations comparativement à celles qu’autorisent les DCC normaux avec les objets peu lumineux.
Figure 2 – Diagramme du spectrographe MOVIES
Par ailleurs, l’absence de parasites en lecture dans ces détecteurs permet un compartimentage temporel et spectral après traitement à un rythme (hertz) extrêmement rapide, ce qui ouvre la porte à un tout nouveau domaine : celui de la spectroscopie optique à rythme élevé pour l’observation des objets variables ou passagers très énergétiques. Le personnel de Gemini examinera le spectrographe MOVIES à la fin de septembre. Pour en savoir plus sur l’un de ses aspects, les personnes à contacter au Canada sont:
Chef (CNRC): Alan McConnachie (alan.mcconnachie@nrc-cnrc.gc.ca), chef (UdM): René Doyon (doyon@astro.umontreal.ca), Leslie Saddlemyer (Leslie.Saddlemyer@nrc-cnrc.gc.ca), Olivier Hernandez (olivier.hernandez@umontreal.ca), et Étienne Artigau (artigau@ASTRO.UMontreal.CA).