Spectrographie Haute-Résolution Olivier Thizy olivier.thizy@shelyak.com Stage CCD 15 Décembre 2006 -- Centre Astro St Michel --
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...
Informations du profil Loi de Stefan: Intensité = 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
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 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 04/12/06 (c) 2006 - Shelyak Instruments 18
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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 04/12/06 (c) 2006 - Shelyak Instruments Utilisable en spectro-héliographie 20
Le Lhires III 04/12/06 (c) 2006 - Shelyak Instruments 21
Acquisition des spectres 04/12/06 (c) 2006 - Shelyak Instruments 22
Traitement des spectres 2D 04/12/06 (c) 2006 - Shelyak Instruments 23
Traitement et analyse des spectres 1D 04/12/06 (c) 2006 - Shelyak Instruments 24
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 04/12/06 (c) 2006 - Shelyak Instruments 25
Quelques projets... 1 - Observation du spectre du soleil en visuel 2 - Spectro-Héliographie 3 - Spectres stellaires: Classification 4 - Spectres stellaires: Profils de raies 5 - Novae: vitesse d'éjection de l'enveloppe 6 - Vitesses radiales 7 - Vitesse de la terre... et masse du soleil! 8 - Rotation des planètes Jupiter et Saturne 9 - Binaires spectroscopiques 10 - Rotations stellaires - V.sin (i) 11 - Etoiles Be (collaboration pros-amateurs) 04/12/06 (c) 2006 - Shelyak Instruments 26
1 - Observation visuelle du spectre solaire 04/12/06 (c) 2006 - Shelyak Instruments 27
2 - Spectro-Héliographie 04/12/06 (c) 2006 - Shelyak Instruments 28
3 Spectres stellaires: Classification A0 Be M5 C8 Lhires III (150tt/mm) EOS 300D Poses de 30 sec Sans ordinateur! Oh-Be-A-Fine-Girl-Kiss-Me 04/12/06 (c) 2006 - Shelyak Instruments 29
4 Spectres stellaires: Profils de raies 04/12/06 (c) 2006 - Shelyak Instruments 30
5 Novae: vitesse d'éjection de l'enveloppe Nova: V4743 Sgr 50 Å 2500 km/s 04/12/06 (c) 2006 - Shelyak Instruments 31
6 Vitesses radiales d'étoiles Spectres comparés de SAO104807, Altair, et SAO112958 04/12/06 (c) 2006 - Shelyak Instruments 32
7 Vitesse de la Terre... Masse du Soleil T =2 2 T = a V 4 2 G m1 m2 a 3 En juillet... Terre a Soleil V = 30 km/s (+6 pixels) m1 En janvier... 04/12/06 V = 30 km/s (-6 pixels) Terre (c) 2006 - Shelyak Instruments m2 33
8 Rotation de Jupiter et Saturne 2 T = Cas de Saturne: Décalage = 7 pixels = 8,8 km/s Période de 10,6 h >> Rayon = 107511 km >> Distance de la terre! Par les anneaux... Masse! >> Densité! 4 2 G m1 m2 a = c (c) 2006 - Shelyak Instruments pas de manière solide 34!...04/12/06 et on prouve que les anneaux ne tournent 3
9 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! 04/12/06 57 Cyg (C. Buil) (c) 2006 - Shelyak Instruments 35
10 Rotation stellaire: V.sin(i) v.sin(i) = 330km/s v.sin(i) = 0km/s 04/12/06 (c) 2006 - Shelyak Instruments 36
11 Etoiles Be (programme Corot!) Magnétisme, ou Pulsations? Vos mesures permettront de trancher! Collaboration Amateurs - Professionnels 04/12/06 (c) 2006 - Shelyak Instruments 37
Envie d'aller plus loin? Les deux conditions essentielles pour bien démarrer Maîtriser son télescope Maîtriser les bases de l'imagerie numérique - S'inscrire sur la liste de distribution Spectro-L - Participer à des stages, des rencontres... - Se rapprocher de clubs qui ont fait le choix de la spectro - Manipuler les logiciels & tutoriaux - Me contacter: olivier.thizy@shelyak.com!!! 04/12/06 (c) 2006 - Shelyak Instruments 38 http://www.shelyak.com
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).
Merci!