Olivier
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Spectrographie Haute-Résolution Olivier Thizy [email protected] WETAL 31 Mars – 1er Avril 2007 -- ENS Lyon -- Le menu... • • • • • C'est quoi un spectre? Rappels théoriques Le Lhires III Quelques projets Conclusion C'est quoi un «spectre»? Fente Objet ponctuel (ex: étoile) Objet étalé (ex: Soleil) 2D / 1D ? L'extraction du spectre passe du spectre 2D (image) au spectre 1D (courbe. ➢ Une coupe simple ne suffit pas (mauvais rapport signal/bruit) ➢ L'extraction optimisée est faite dans la plupart des logiciels (ex: L_OPT dans IRIS) ➢ Résolution ? Basse résolution (réseau 150 t/mm) Comparaison entre un spectre de Véga en basse résolution (150tt/mm) et en haute résolution (2400tt/mm). ➢ Basse résolution: ➢Forme générale ➢ Profil de Planck ➢ Haute résolution ➢Profil de raies (Profil de Voigt...) ➢FWHM ➢Largeur Equivalente ➢ Haute résolution (réseau 2400 t/mm) Lois de Kirchhoff 1 2 3 1 Un gaz à pression élevé, un liquide ou un solide, s'ils sont chauffés, émettent un rayonnement continu qui contient toutes les couleurs; 2 Un gaz à basse pression et basse température, s'il est situé entre une source de rayonnement continu et un observateur, absorbe certaines couleurs (spectre de raies en absorption). 3 Un gaz chaud à basse pression émet un rayonnement uniquement pour certaines couleurs (spectre de raies en émission) Profil de corps noir 1 Profil de Plank 12.000 K Intensité 10.000 K 8.000 K 5.000 K 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Longueur d'onde (angstroms) 8000 9000 10000 Spectre électromagnétique... Une fenêtre étroite ! Source: Getting the measure of the stars (WA Cooper & EN Walker) Informations du profil Loi de Stefan: Intensité (sous la courbe) = Constante * T4 ➢ Loi de Wien: λ max * Temperature = Constante (2900 µm.K) ➢ ==>Température = Couleur !!! Domaine Visible = 400-700nm (4000A-7000A) Diagramme H-R 2 Raies d'absorption • Le spectre stellaire a la forme (continuum) d’un spectre de corps noir • L’atmosphère, plus froide, absorbe certaines longueurs d’ondes 2 Raies d'absorption • La photosphère est peu épaisse • Les «ailes» des raies viennent plutôt des couches plus profondes que le «centre» D'après: http://ircamera.as.arizona.edu/astr_250/Lectures/Lecture_14.htm 2 Raies d'absorption Raies en émission 3 • Les lampes de calibration (ici: lampe de Néon interne au Lhires III) forment des raies en émission. fente Exemple de raies en émission • Le spectre d’une nébuleuse planétaire ou diffuse est en émission Raies d'absorption/émission ∆Energie = h * ν = h *c / λ Table des éléments Intensité relative des éléments Effet Doppler λ− λ λ+ Eloignement des galaxies = décalage vers le rouge (red shift) = c En résumé... La lumière venant des étoiles nous renseigne sur: • leur température [profil général] • leur composition et les conditions physiques d'excitation ou d'ionisation (donc de température) [présence de raies] • La composition chimique quantitative, la pression, la gravité de l'étoile [intensité des raies] • Les déplacements [effet Doppler] ● Eloignement ou de rapprochement (vitesse radiale) ● Rotation ● Expansion 31/03/07 (c) 2006 - Shelyak Instruments 21 31/03/07 (c) 2006 - Shelyak Instruments 22 Caractéristiques Spectrographe de type Littrow Haute Résolution (∆λ/λ de 17000 autour de Hα) Dispersion de 0.01nm (caméra de 9µm) Optimisé pour un instrument ouvert à f/10 Adaptable à tout type d'instruments Adaptation à différents types de détecteurs: caméras CCD, Appareil Photographiques Numériques, webcam... Fente réfléchissante pour un guidage précis Compact (250mm x 200mm x 83mm) et léger (1.6kg) Supports et réseaux complémentaires en option pour adapter la résolution à son projet Visuel sur le Soleil pour des animations 31/03/07 (c) 2006 - Shelyak Instruments Utilisable en spectro-héliographie 23 Le Lhires III 31/03/07 (c) 2006 - Shelyak Instruments 24 Acquisition des spectres 31/03/07 (c) 2006 - Shelyak Instruments 25 Traitement des spectres 2D 1D u a D 2 du e g a s s Pa 31/03/07 (c) 2006 - Shelyak Instruments 26 Traitement et analyse des spectres 1D 31/03/07 (c) 2006 - Shelyak Instruments 27 Ordres de grandeurs • 1 Å = 0,1 nm = 50km/sec • Spectre visible: 3000-7000 Å (300-700 nm) • Sensibilité des CCD: 3000-9000 Å Dispersion (Hα) Ǻ/pix km/s Pouvoir de résolution Champ Magnitude limite Ǻ Réseau utilisé – Lhires III – t/mm 2400 1200 600 300 150 0,1 0,3 0,7 1,5 3,0 5 17 35 75 150 17000 6000 2700 1300 600 85 250 550 1100 2300 5 6 7 8 9 Calculs théor. (ETCL): T200mm, Lhires III (fente 30µm), KAF0400, 1 h de pose, S/B=100 Selon vos observations, il faudra trouver le bon compromis entre Résolution, Champ spectral, Magnitude limite, Rapport Signal/bruit et Temps de pose 31/03/07 (c) 2006 - Shelyak Instruments 28 Quelques projets... 1 Le Sodium sous toutes ses formes! 2 Observation du spectre du soleil en visuel 3 Spectre du Soleil en basse résolution 4 Spectro-Héliographie 5 Spectres stellaires: Classification BR 6 Spectres stellaires: Classification HR 7 Spectres stellaires: Profils de raies 8 Spectres de nébuleuses 9 Novae: vitesse d'éjection de l'enveloppe 10 Vitesses radiales 11 Vitesse de la terre... et masse du soleil ! 12 Rotation des planètes Jupiter et Saturne 13 Binaires spectroscopiques 14 Rotations stellaires - V.sin (i) 15 Etoiles Herbig Ae/Be (c) 2006 - Shelyak Instruments 31/03/07 16 Etoiles Be (collaboration pros-amateurs) 29 1 – Le Sodium sous toutes ses formes! Sel Allumette Cornichon ! Sirius Soleil Lampadaire 31/03/07 (c) C. Buil / Benoit Minster (c) 2006 - Shelyak Instruments 30 2 – Observation visuelle du spectre solaire (c) Robin Leadbeater 31/03/07 (c) 2006 - Shelyak Instruments 31 Olivier Thizy – Janvier 2007 Lhires III – 300tt/mm; Digital Rebel / EOS300D Fait au Pic du Midi (ie: peu d'atmosphère!) 31/03/07 (c) 2006 - Shelyak Instruments Hα Doublet du Sodium Triplet du Magnésium Hδ H/K (Calcium) Hβ 3 – Spectre solaire en basse résolution 32 4 – Spectro-Héliographie 31/03/07 (c) 2006 - Shelyak Instruments 33 5 – Spectres stellaires: Classification BR A0 Be M5 C8 – Lhires III (150tt/mm) – EOS 300D – Poses de 30 sec – Sans ordinateur ! 31/03/07 (c) 2006 - Shelyak Instruments 34 6 – Spectres stellaires: Classification HR Oh-Be-A-Fine-Girl-Kiss-Me Lhires III & APN Séquence de spectres dans la région du triplet du Calcium. La température des objets s'abaisse en allant du haut vers le bas. © Christian Buil 31/03/07 (c) 2006 - Shelyak Instruments 35 7 – Spectres stellaires: Profils de raies 31/03/07 (c) 2006 - Shelyak Instruments 36 8 – Spectres de nébuleuses Hα 6563 [OIII] 5007 Hβ 4861 [OIII] 4959 31/03/07 [NII] 6583 [NII] 6548 HeI 5876 (c) 2006 - Shelyak Instruments Spectre de M42 - Lhires III (150tt/mm) + KAF1600 / Acquisition: Benjamin Mauclaire / Traitement: Olivier Thizy Image de M42: Olivier Garde & Adrien Viciana (CALA) HeI 6678 37 9 – Novae: vitesse d'éjection de l'enveloppe V1280 Sco V4743 Sgr 50 Å 2500 km/s 31/03/07 RS Oph (c) 2006 - Shelyak Instruments 38 10 – Vitesses radiales d'étoiles Spectres comparés de SAO104807, Altair, et SAO112958 31/03/07 (c) 2006 - Shelyak Instruments 39 11 – Vitesse de la Terre... Masse du Soleil T =2 2 T = a V 4 2 G m1m2 a 3 En juillet... Terre a Soleil V = 30 km/s (+6 pixels) m1 En janvier... 31/03/07 V = 30 km/s (-6 pixels) Terre (c) 2006 - Shelyak Instruments m2 40 12 – Rotation de Jupiter et Saturne Cas de Saturne: Décalage = 7 pixels = 8,8 km/s Période de 10,6 h >> Rayon = 107511 km >> Distance de la terre ! 4 2 2 Par les anneaux... Masse ! >> Densité ! G m1m2 T = a 3 = c (c) 2006 - Shelyak Instruments pas de manière solide 41! ...31/03/07 et on prouve que les anneaux ne tournent 13 – Binaires spectroscopiques Beta Auriga 2 spectres à 72h d'intervalle Par la troisième loi de Kepler, on peut facilement remonter au rapport de masse des deux étoiles ! 57 Cyg (C. Buil) 31/03/07 (c) 2006 - Shelyak Instruments Evolution de bêta Aurigae sur 3h... 42 14 – Rotation stellaire: V.sin(i) v.sin(i) = 330km/s v.sin(i) = 0km/s 31/03/07 (c) 2006 - Shelyak Instruments 43 15 – Etoiles Herbig Ae/Be 31/03/07 C.Buil (c) 2006 - Shelyak Instruments 44 15bis – Variables ! 31/03/07 (c) 2006 - Shelyak Instruments Source: Getting the measure of the stars (WA Cooper & EN Walker) 45 16 – Etoiles Be (programme Corot !) Magnétisme, ou Pulsations ? Vos mesures permettront de trancher ! Collaboration Amateurs - Professionnels 31/03/07 (c) 2006 - Shelyak Instruments 46 Envie d'aller plus loin? - S'inscrire sur la liste de distribution Spectro-L: http://groups.yahoo.com/group/spectro-l/ - Participer à des stages, des rencontres... - Se rapprocher de clubs qui ont fait le choix de la spectro (dans la région: SAL, CALA...) - Manipuler les logiciels & tutoriaux - Me contacter: [email protected] !!! Les deux conditions essentielles pour bien démarrer Maîtriser son télescope Maîtriser les bases de http://www.shelyak.com l'imagerie numérique 31/03/07 (c) 2006 - Shelyak Instruments 47 Quelques liens utiles Groupe ARAS: http://www.astrosurf.com/aras/ Liste Spectro-L: http://groups.yahoo.com/group/spectro-l/ Site Iris: http://www.astrosurf.org/buil/ Iris / SPIris: http://www.astrosurf.org/buil/us/iris/iris.htm VisualSpec: http://astrosurf.com/vdesnoux/ Audela: http://www.astrosurf.com/aude/ Prism: http://www.astroccd.com/prism/fr/ BeSS: ... Bientôt en ligne ! Projet Corot: http:/www.astrosurf.org/buil/corot/data.htm CDS Strasbourg http://http://cdsweb.u-strasbg.fr/ ADS (articles) http://http://adsabs.harvard.edu/abstract_service.html Quelques livres utiles Astronomie Astrophysique – Introduction. Agnès Acker, édition Dunod (4è édition) Excellent livre de cours avec des projets toutes les pages! Un must!!! Stars and their spectra; James B Kaler, édition Cambridge [anglais] Un très bon livre qui parcours le diagramme HR en présentant les caractéristiques spectrales. A avoir dans sa bibliothèque si vous lisez l'anglais!!! Astronomie Méthodes et Calculs (exercices corrigés); Agnès Acker et Carlos Jaschek, édition Masson (3è édition). Stellar Photospheres; David F. Gray, édition Cambridge [anglais] Merci... Fabriqué et distribué par Shelyak Instruments Tél.: 04.76.41.36.81 http://www.shelyak.com Email: [email protected]