Spectrographie CCD
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Séminaire Aude Genève - Mai 2002 Spectrographie Christian Buil Séminiare Aude Mai 2002 1 La décomposition de la lumière Dispersion avec un prisme Séminiare Aude Mai 2002 2 La dispersion des couleurs Faible dispersion Forte dispersion Séminiare Aude Mai 2002 3 La résolution spectrale Mauvaise séparation des couleurs Bonne séparation des couleurs Séminiare Aude Mai 2002 4 La notion de longueur d ’onde 570 nm = 0,000570 mm = 7500 angströms Séminiare Aude Mai 2002 5 Les raies spectrales Structure de l’atome et mécanique quantique Séminiare Aude Mai 2002 6 Spectres de raies Continu Hélium Sodium Argon Séminiare Aude Mai 2002 7 Un disperseur : le réseau à diffraction Réflexion Transmission Formule du réseau sin 1 + sin 2 = kn Séminiare Aude Mai 2002 k = order de diffraction (…, -3, -2, -1, 0 , 1, 2, …) n = nombre de traits au millimètre (100 à 2400 t/mm typ.) = longueur d’onde (en mm) 8 Ordres de diffraction Blaze : profil particulier des traits permettant de concentrer la majorité du flux dans un ordre (ici l’ordre 1) Séminiare Aude Mai 2002 9 Spectrographe à réseau Schéma type... Séminiare Aude Mai 2002 10 Paramètres d’un spectrographe Utilisation d’objectifs photographiques Séminiare Aude Mai 2002 Epure optique : Tracer le contour des optiques et des faisceaux pour compacter au mieux le dispositif 11 Résolution spectrale (1/2) R D1 sin tan D . θs cos avec s = la largeur angulaire de la fente sur le ciel (en radians) D = le diamère du télescope. D1 = le diamètre du faisceau à la sorte du collimateur Configuration Littrow (1 = 2) :R 2 . D1 . tan D . θs •Un grand télescope nécessite un grand spectrographe (D1) pour une même résolution. •La résolution augmente lorsque la largeur de la fente diminue. •Gain en résolution pour des ordres élevées ou lorque le réseau à un un grand nombre de traits au millimètre. Séminiare Aude Mai 2002 12 Résolution spectrale (2/2) Profondeur du réseau = D1 . tan D1 , Dans une combinaison Littrow ( = ) : Soit : Séminiare Aude Mai 2002 2 . D1 . tan α R D . θs 2 (profondeu r) R D . θs 13 Réseau dans le faisceau convergeant Pour : simplicité Contre : aberrations optiques importantes (perte de résolution) Séminiare Aude Mai 2002 14 Réseau dans le faisceau convergeant Adaptation (réseau à transmission) Séminiare Aude Mai 2002 15 Réseau dans le faisceau convergeant Image caractéristique avec une étoile… Spectrométrie de champ (pas de fente) Séminiare Aude Mai 2002 16 Spectroscopie multi-objets Réseau dans le faisceau Convergeant du télescope Simplicité, mais mauvaise séparation entre l’information spectrale et l’information spatiale Présence du fond de ciel « sous » le spectre (diminution du rapport signal/bruit) Attention : danger de voir le spectre ce projeté accidentellement sur une étoile du champ (prévoir de pouvoir « tourner » le spectro). Séminiare Aude Mai 2002 17 Réseau dans le faisceau convergeant Champ de la nébuleuse NGC2392 Séminiare Aude Mai 2002 18 La spectro express… Réseau à diffraction dans le faisceau convergeant Distance réseau/CCD : 20 à 40 mm typ. Réseau Jeulin (30 Eu) Séminiare Aude Mai 2002 19 Focalisation Séminiare Aude Mai 2002 20 L’étalonnage spectral Associer une longueur d’onde à un pixel Identification des raies... Mesure des positions (par rapport à l’ordre zéro) Séminiare Aude Mai 2002 21 L’étalonnage spectral : exemple Exemple : raie rouge de l’hydrogène à 6563 A trouvée à X=2,340 mm (réseau 100 traits/mm)… Séminiare Aude Mai 2002 22 Identification des raies spectrales (1/5) Attention au recouvrement d’ordres... (le bleu de l’ordre 2 se superpose au rouge de l’ordre 1) Parade : utilisation d’un filtre rouge pour voir la partie IR (filtre d’ordre) Séminiare Aude Mai 2002 23 Identification des raies spectrales (2/5) Raies H-alpha en émission de certaines étoiles Be (Zeta Tau, Gamma Cas, Kappa Dra, …) Séminiare Aude Mai 2002 24 Identification des raies spectrales (3/5) Utilisation de l’éclairage urbain… spectres de lampadaires Webcam : images couleurs… Séminiare Aude Mai 2002 25 Identification des raies spectrales (4/5) Spectre d’émission de la nébuleuse Messier 57 Spectro-imagerie (pas de fente) Séminiare Aude Mai 2002 26 Identification des raies spectrales (5/5) Utilisation des raies de l’atmosphère terrestre (tellurique) Ici les raies de la valeur d’eau au voisinage de la raie H-alpha… Séminiare Aude Mai 2002 Etalonnage spectral très précis autour de la raie de la raie rouge de l’hydrogène 27 Le prétraitement Séminiare Aude Mai 2002 Exploitation…utilisation de Visual Spec (V. Desnoux) 28 Autre montage : utilisation d’un collimateur Montage avec une lentille de Barlow : amélioration de la qualité du spectre Séminiare Aude Mai 2002 29 Utilisation d’un collimateur Séminiare Aude Mai 2002 30 Utilisation d’une Barlow : montage pratique Séminiare Aude Mai 2002 31 Utilisation d’une Barlow : résultat Séminiare Aude Mai 2002 32 Montage traditionnel L’étoile Delta Scorpion avec une webcam Ensemble plus encombrant qu’avec une barlow Séminiare Aude Mai 2002 33 La compacité… enjeu important sur les instruments amateur Utilisation d’un réseau par réflexion Séminiare Aude Mai 2002 34 Utilisation d’une fente… extension du domaine d'application Fente longue… pourquoi ? • Isoler un objet • Limiter le fond de ciel • Faciliter l’étalonnage Séminiare Aude Mai 2002 35 Utilisation d’une fente La nébuleuse Messier 8 Fente large Séminiare Aude Mai 2002 Fente étroite Lunette de FSQ-106 – Spectro R=800 36 Utilisation d’une fente Observation d’objets à surface étendue Séminiare Aude Mai 2002 37 Utilisation d’une fente Etalonnage spectral avec un spectre de référence Le spectre de la galaxie M81 Spectre du Soleil et du gaz néon Séminiare Aude Mai 2002 38 Vers plus de compacité... Configuration Littrow Séminiare Aude Mai 2002 Objectif de 50 mm – Réseau 600 t/mm Dispersion : 2,9 A/pixel - Résolution R=1000 39 Configuration Littrow Séminiare Aude Mai 2002 Réseau Edmond 600 t/mm + objectif photo Nikon de 50 mm + caméra Audine 40 Un spectrographe compact Séminiare Aude Mai 2002 http://www.astrosurf.com/buil 41 Un spectrographe compact : performances Séminiare Aude Mai 2002 L’étoile Procyon 42 Un spectrographe compact : performances Séminiare Aude Mai 2002 43 Rendement du spectrographe (throughput) Dépend de la transmission optique, du rendement quantique du CCD, … Séminiare Aude Mai 2002 44 Spectrographe R=1000 sur "petite" monture Séminiare Aude Mai 2002 Utilisation sur une monture GD-DX et une lunette de 100 mm 45 La mise en oeuvre Attention au chromatisme (ici une lunette fluorite) Attention à la focalisation Séminiare Aude Mai 2002 46 Une version haute-résolution Séminiare Aude Mai 2002 Objectif Nikon de 180 mm de focale R=7000 47 Programmes d’observations en fonction de la résolution Résolution R : rapport de la longueur par le plus petit élément spectral séparable à cette longueur d’onde Avec un télescope de 200 mm… Très basse résolution (R=100) : Mag. Limite 15 - Supernovae, Novae, comètes lointaines, quasars… Basse résolution (R=1000) : Mag. Limite 11 -> novae - Etoiles variables - Etoiles Be (photométrie) - Novae - Comètes brillantes Nébuleuses - Satellites planétaires… Moyenne réolution (R=6000) : Mag. Limite 8 -> Profil de raies sur Be, variables, quelques novae, binaires eclipses… Haute résolution (R=20000) : Mag. Limite 3 -> exoplanètes... Séminiare Aude Mai 2002 48 Qu'elle configuration optique ? (1/4) Séminiare Aude Mai 2002 Spectro R=1000 - fente large 49 Qu'elle configuration optique ? (2/4) Séminiare Aude Mai 2002 Barlow Tele Vue 1.8x (F=-124 mm) + objectif F=55 mm Collimateur F=135 mm + objectif F=55 mm 50 Qu'elle configuration optique ? (3/4) Séminiare Aude Mai 2002 Barlow Tele Vue 1.8x (F=-124 mm) + objectif F=55 mm + Celestron 8 Littrow Collimateur & objectif F=50 mm + réseau 600 t/mm + Lunette FSQ-106 51 Quelle configuration optique ? (4/4) Notation… Jeulin 300 t/mm Barlow 1.8x Jeulin 300 t/mm Collimateur 135 mm Littrow 600 t/mm Objectif 50 mm Résolution spectrale 1 1 3 Facilité de fabrication 3 2 1 Fente 0 3 3 Poids 3 2 2 Prix 3 2 1 10 10 10 TOTAL Séminiare Aude Mai 2002 52 Exemples d’applications : étoiles classiques (1/2) Séminiare Aude Mai 2002 R=1000 53 Etoiles classiques (2/2) Séminiare Aude Mai 2002 R=1000 54 La résolution spectrale Etoile double spectroscopique 57 Cygni AD: 20h53.2 DEC: +44°23' Magnitude: 4.72 Type sectral: B5V+B5V Période: 2.8548 days Demi amplitude vitesse radiale: 111.9 km/s (primaire) et 126.0 km/s (secondaire) Séminiare Aude Mai 2002 55 Nébuleuses planétaires NGC 6210 Dispersion de 32 A/pixel Séminiare Aude Mai 2002 56 Etoiles et nébuleuses Wolft-Rayet 136 NGC 6888 Séminiare Aude Mai 2002 57 Un bout de l’univers : les quasars Réseau dans le faisceau convergeant 3C273 Télescope de 190 mm en ville (mag. 3 à l’œil) Séminiare Aude Mai 2002 58 Programme d’observation des étoiles Be (1/3) Comparaison étoile standard et étoile Be (raies en émission) Séminiare Aude Mai 2002 59 Programme d’observation des étoiles Be (2/3) Formes du profil de raie : dépend (entre-autre) de l’inclinaison de l’axe de rotation de l’étoile Séminiare Aude Mai 2002 60 Programme d’observation des étoiles Be (3/3) Evolution temporelle du profil de raie Spectre dynamique de Omega Orion Août 2001 – Février 2002 Séminiare Aude Mai 2002 61 Mesures astrophysiques (1/4) Largeur équivalente (W), largeur à mi-hauteur (FWHM), … Séminiare Aude Mai 2002 62 Mesures astrophysiques (2/4) … Rapport V/R, … Séminiare Aude Mai 2002 63 Mesures astrophysiques (3/4) … effet Doppler, … Corrections héliocentriques (Doppler et temps heliocentrique) Etoile 42 And Séminiare Aude Mai 2002 64 Mesures astrophysiques (4/4) …, Vitesse des gaz Séminiare Aude Mai 2002 65 Les novae (1/3) Nova Cygni 2001 n°2 Evolution très rapide du « profil de raie » (ici autour de H-alpha) Séminiare Aude Mai 2002 R=7000 66 Les novae (2/3) Nova Cygni 2001 N°1 Séminiare Aude Mai 2002 R=1000 67 Les novae (3/3) NOVA SAGITTARII 2001 N°3 Séminiare Aude Mai 2002 NOVA OPHIUCHI 2002 68 Les supernovae SN1999ac (M=14.8) Toulouse Télescope de 190 mm Séminiare Aude Mai 2002 69 Les supernovae SN1999Cl (LX200 8 pouces + réseau Rainbow Optics) Séminiare Aude Mai 2002 70 Les supernovae Traitement – Comparaison pros/amateurs Séminiare Aude Mai 2002 71 Les supernovae La supernova 2000 B (découverte par Pierre Antonini) SN 2000B le 14 Janvier 2000. Audine KAF0400E et lunette FSQ-106 Takahashi sur monture Vixen GP. Addition de 26 poses de 60 seconde. Magnitude de la SN:16,2 Spectre de SN2000B réalisé au T1M du Pic du Midi avec le grism Rainbow (C. Buil, F. Colas, A. Fienga). Supernova de type Ia. Séminiare Aude Mai 2002 72 Les supernovae La supernova 2000P Supernova de type II (découverte par Robin Chassagne) Spectre réalisé au T1M du Pic du Midi avec le réseau Rainbow (dispersion de 23 A/pixel) le 10 Mars 2000. Séminiare Aude Mai 2002 73 Les étoiles variables Exemple des étoiles carbonées Séminiare Aude Mai 2002 74 Les comètes (1/3) C/2001 A2 (LINEAR) – Juillet 2001 Séminiare Aude Mai 2002 Spectrographe compact – R=800 75 Les comètes (2/3) Comète Linear 2001 A2 Du bon usage d’une fente… Image Valérie Desnoux (ETX90 + Audine) Séminiare Aude Mai 2002 76 Les comètes (3/3) Séminiare Aude Mai 2002 77 Quelques conditions pour réussir... • Tenter de diffuser les composants de bases critiques et/ou publier le maximum d'informations (réseau, quelques pièces mécaniques sous forme de kit, descriptifs sur le web…) • Devenir crédible (appliquer des procédures d'étalonnage rigoureuses et standards) • Obtenir des résultats reproductibles et le démontrer (campagnes d'observations sur un petit nombre d'objets mais bien suivis) • Chercher absolument la collaboration des professionnels pour l'exploitation et s'intégrer à des surveys internationaux • Prendre l'initiative de campagnes d'observations au niveau amateur (variables, novae, Be, etc) et s'associer à des professionnels pour publication • Monter des ateliers de travail pro/amateurs au niveau national puis international (CNRS) • Organiser des stages de formations à l'intention de la communauté amateur (démarrer en douceur, pratique, patience, motivation par l'exemple…) Séminiare Aude Mai 2002 78 La spectrographie : Un nouvel Eldorado pour les amateurs… A vous de jouer ! Séminiare Aude Mai 2002 79
