Development Of A Gas Absorption Cell For The Near-Infrared

In this work several gases are evaluated concerning their potential for operation as wavelength calibration standards in high-resolution near-infrared spectroscopy. Up to now astrophysical radial velocity measurements with precisions of a few m/s are performed only in the visual spectral range. There an absorption cell filled with iodine is used. This work aims on the extension of this method towards the near-infrared spectral range. The chemical and physical properties of the substances are investigated, amongst others by FTIR-spectroscopic measurements. The suitability of such reference gases is restricted by some constraints. The calibration standard should provide many isolated lines, their absorption should be sufficiently strong even for short absorption pathlengths. Furthermore the reference gas should neither be corrosive nor toxic. The appearance of the reference spectrum significantly depends on the gas pressure and temperature. Hence line broadening effects such as the pressure induced pressure broadening and the temperature dependent Doppler broadening become important. Additionally the gas pressure can result in a line center position shift. Therefore changing physical conditions can affect the stability of the reference spectrum. In the frame of this work the following gases are investigated: acetylene (C2H2), iodomethane (CH3I), ammonia (NH3) and carbon monoxide isotopes 13C16O and 12C18O. With exception of iodomethane, which is very toxic and therefore unusable, the remaining gases are applicable in the H-band (C2H2 around 1.53µm) and the K-band (NH3 and CO isotopes around 2.30µm). In the K-band N2O is already used as a calibration standard, e.g. at ESOs' VLT CRIRES spectrograph. The gases evaluated in this work significantly enable the use of absorption cells for wavelength calibration with CRIRES. Especially ammonia provides many strong lines even at moderate gas pressure and short absorption pathlength, and contributes to the extension of the spectral range formerly covered by N2O. Furthermore an absorption cell is designed, mainly for operation with the CRIRES spectrograph. Thus the dimensions are restricted by the available space at this instrument. The absorption cell is made of glass, which is very resistant against chemicals. In contrast to the gas cell provided by ESO, the designed cell has wedged windows preventing interference patterns. The gas cell is permanently sealed in order to avoid any contamination. With respect to provide an always identic reference spectrum the gas cell should be temperature controlled. In addition target objects for astrophysical observations are investigated concerning spectral features usable for radial velocity measurements. These objects include cool giant stars, low-mass M dwarf stars and Brown Dwarfs. The spectra were calculated using stellar model atmospheres of the PHOENIX code. In order to estimate the achievable radial velocity precision observations for the target objects are simulated. In dieser Arbeit werden diverse Gase hinsichtlich ihres Potentials als Wellenlangenkalibra- tionsstandard fur hochauflosende, spektroskopische Messungen im nahen Infrarot evaluiert. Bisher werden astrophysikalische Radialgeschwindigkeitsmessungen mit Prazisionen von wenigen m/s vorrangig im optischen Spektralbereich durchgefuhhrt. Dafur werden mit Iod befullte Absorptionszellen verwendet. Das Ziel dieser Arbeit ist die Erweiterung dieser Meth- ode auf den Spektralbereich des nahen Infrarot. Die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Substanzen werden untersucht, u.a. mit FTIR-spektroskopischen Messungen. Die Tauglichkeit derartiger Referenzgase ist durch mehrere Anforderungen beschrankt. So sollte ein derartiger Kalibrationsstandard moglichst viele isolierte Linien zeigen, deren Absorption sollte selbst bei kleinen Absorptionslangen hinreichend gros sein. Auserdem sollte das Referenzgas moglichst weder korrosiv noch tox- isch sein. Das Erscheinungsbild eines Referenzgasspektrums ist masgeblich vom Gasdruck in der Absorptionszelle und der Temperatur abhangig. So kommen einerseits Linienverbreiterungsmechanismen wie die durch den Gasdruck induzierte Druckverbreiterung und die temperaturabhangige Dopplerverbreiterung zum Tragen. Andererseits kann der Gasdruck auch eine Verschiebung der Linienpositionen bewirken. Eine Anderung der physikalischen Rahmenbedingungen hat daher Auswirkungen auf die Stabilitat des Referenzgasspektrums. Im Rahmen dieser Arbeit werden folgende Gase analysiert: Azetylen (C2H2), Iodomethan (CH3I), Ammoniak (NH3) sowie die Kohlenstoffmonoxid-Isotope (12C18O, 13C16O). Mit Ausnahme von Iodomethan, dessen toxische Eigenschaften gegen eine Verwendung sprechen, sind die anderen vier Gase als Kalibrationsstandards im H-Band (C2H2 um 1.53µm) und K-Band (NH3 und CO-Isotope um 2.30µm) einsetzbar. Im K-Band wurde bereits N2O als Kalibrationsstandard, beispielsweise bei der ESO an VLT CRIRES, eingesetzt. Die in dieser Arbeit untersuchten Gase ermoglichen eine masgebliche Erweiterung der Nutzung von Absorptionszellen als Kalibrationsstandard fur CRIRES. Insbesondere Ammoniak tragt mit seiner Vielzahl von Linien, deren Absorption auch bei niedrigem Gasdruck und kurzen Absorptionswegen hinreichend gros ist, zur Ausdehnung des bisher durch N2O abgedeckten Spektralbereiches bei. Im Weiteren wurde eine Absorptionszelle konstruiert, die vorrangig fur den Einsatz mit CRIRES konzipiert wurde. Daher sind die Abmessungen durch den am Spektrographen verfugbaren Raum vorgegeben. Die entwickelte Zelle ist aus Glas gefertigt, das gegenuber chemischen Substanzen sehr bestandig ist. Im Gegensatz zur von der ESO verwendeten Zelle werden keilformige Fenster verwendet, um etwaige Interferenzen auszuschliesen. Die Zelle ist permanent versiegelt, um jegliche Kontamination zu verhindern. Um ein stabiles Referenzspektrum zu erreichen wird empfohlen, die Absorptionszelle auf konstanter Temperatur zu halten. Ferner werden Beobachtungsobjekte fur die astrophysikalische Anwendung untersucht. Dazu werden die Objekte bezuglich fur Radialgeschwindigkeitsmessungen geeigneter spektraler Merkmale analysiert. Zu den Objekten zahlen kuhle Riesensterne, massearme Sterne (Spektraltyp M) und Braune Zwerge. Die Spektren dieser Objekte werden mit Modellatmospharen aus dem Strahlungstransportcode PHOENIX generiert. Um eine qualitative Abschatzung der erreichbaren Genauigkeiten fur Radialgeschwindigkeitsmessungen zu erhalten, werden Beobachtungen der Objekte simuliert.