La spectroscopie et l astronomie d amateur Que peut nous apprendre l étude de la lumière Bref aperçu de ce que les astronomes amateurs peuvent faire en la matière Olivier Martin - 11/03/2015
Thèmes abordés Qu est-ce que la lumière Un peu d histoire et quelques modèles explicatifs Analyses et caractéristiques spectrales Quelques outils pour les astronomes amateurs
La lumière : qu est-ce que c est Un peu tout ce que l homme a toujours vu naturellement, à l œil nu
La lumière : qu est-ce que c est Mais on a aussi de la lumière «fabriquée»
La lumière : qu est-ce que c est Et il y a aussi de la lumière que l œil ne voit pas γ Soleil (X) Cen A
La lumière : qu est-ce que c est Ce qu en disent les livres La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, qui s étendent du violet au rouge. Par extension, on appelle aussi «lumière» d'autres ondes électromagnétiques invisibles, comme les infrarouges et les ultraviolets, gamma, radio... C'est au XVIIe siècle, avec Newton, qu on a commencé à analyser la lumière et expliquer les couleurs. Pour plus de détails, l exposé du 10 décembre 2014 «qu est-ce que la lumière», par Jean-Michel Cognet.
Une découverte fondamentale A l aide de prismes, Newton découvre que la lumière blanche est la superposition de rayons lumineux de différentes couleurs : des rayonnements monochromatiques (vers 1665) A partir de là, on s est mis à regarder toutes les sources de lumière à travers un prisme
Comprendre la lumière 1814: Fraunhofer découvre qu il manque certaines couleurs dans le spectre solaire (il recense 324 raies sombres!) 1859: R. Bunsen et G. Kirchhoff découvrent, en brûlant des minéraux, que chaque composé chimique a une signature spectrale propre C est la naissance de la spectroscopie
La lumière du soleil G. Kirchhoff découvre que les raies sombres du spectre solaire correspondent à certains atomes bien identifiés sur Terre Il conclut que l atmosphère du soleil créée ce spectre de raies et identifie les constituants Mais certaines raies du soleil n avaient aucune correspondance avec des matériaux connus On a baptisé cette substance «Hélium»
Comprendre la lumière Il existe 3 types de sources de lumière (G. Kirchhoff) Loi 1 Loi 2 Loi 3
En bref La lumière est constituée de photons Décrits par une longueur d onde (couleur, énergie) En déplacement à la vitesse de la lumière Qui interagissent avec la matière (interaction électromagnétique)
Comment est créée la lumière Spectres continus : Rayonnement de corps noir Un corps noir est un corps en équilibre thermodynamique, qui absorbe, sans la réfléchir ni la diffuser, toute l'énergie électromagnétique qu'il reçoit. Dans la pratique, la loi de rayonnement du corps noir décrit convenablement le rayonnement, sous l'effet de la chaleur, par exemple d'un filament chauffé. La courbe spectrale ne dépend que de la température du corps, et pas de sa composition. Cf. https://media4.obspm.fr/public/fsu/pages_corps-noir/spectre-corps-noir-simuler.html
Comment est créée la lumière Spectres continus : Rayonnement de corps noir Plus le corps est chaud, plus son spectre se décale vers les longueurs d ondes courtes
Comment est créée la lumière Maxwell met la lumière en équations vers 1830 On explique certains phénomènes On ne comprend pas vraiment ce qu il se passe Travaux d Einstein sur l effet photoélectrique (1905) : explication quantique Explication des spectres discontinus et des phénomènes qui y sont liés. Tout repose sur les propriétés liées à la nature de la matière, en particulier en relation avec les charges
Comment est créée la lumière Les atomes sont formés d électrons qui tournent autour de leur noyau, schématiquementcomme un système planétaire Les électrons ne peuvent aller que sur certaines «orbites» bien particulières Modèle de Bohr
Comment est créée la lumière La lumière est émise ou absorbée quand les électrons changent d orbite Ces interactions matière -lumière ont lieu dès que de la matière est présente
Cas de l hydrogène 410 434 Hβ : 486nm Hα : 656nm
Et maintenant Un peu d astro et de spectro
La lumière des sources célestes Etoiles Le spectre est continu et présente quelques raies sombres, comme pour le soleil
La lumière des sources célestes nébulosités NGC2392 «l eskimo»
La lumière des sources célestes Quelques détails
La lumière des sources célestes D autres nébulosités NGC2256+2258 En bref, le spectre est tantôt continu (galaxies), tantôt constitué de raies d émission (nébuleuses)
La lumière des sources célestes Les planètes du système solaire Superposition de deux courbes d émission de type corps noir: Lumière solaire réfléchie Emission thermique de la planète On peut en extraire une idée de la température de surface
Le mouvement L effet Doppler Cas particuliers NGC7083 (galaxie) : visualisation de l effet doppler sur les raies.
Cas particuliers Le mouvement Le redshift: n apparaît que sur des très grandes distances
Quelques applications concrètes Supernova SN 1987 A L'analyse spectrographique réalisée par le télescope Hubble Anneau intérieur, libéré 20000 ans avant l explosion. De l analyse spectrale, on déduit: principalement constitué d'hydrogène et d'azote (les 3 anneaux rouges clairs), d'oxygène (vert) et de soufre (rouge). Le rapport de la brillance de l anneau dans une même raie spectrale permet d évaluer la concentration de cette matière. La lumière de ces différents éléments permet également d'identifier les gaz à certains niveaux de température. C'est en reconstituant les différents éléments de ce puzzle et en étudiant les courbes lumineuses de l'explosion que les astrophysiciens ont pu obtenir une image des processus stellaire et physique ayant formé cet anneau et dont la température oscille encore entre 5 et 25000 K. Au début invisible, à présent cet anneau brille essentiellement en raison de la chaleur libérée par la radioactivité du Titane-44 créé au cours de l'explosion de la supernova. Il devrait irradier la nébuleuse durant plusieurs décennies encore. Document NASA/STSCI/HST.
Quelques applications concrètes Rotation de Jupiter Source: http://www.astrosurf.com/rondi/t60/io-io/ De l analyse spectrale, on déduit: La lumière du Soleil est réfléchie par Jupiter, et est affectée d'un effet Doppler. L équipe scientifique a calculé par la mesure du décalage doppler : V = 9.7 km/s Vérification : la période de rotation de Jupiter est de 9.92 heures, pour un diamètre équatorial de 143000km, donnant une vitesse à l'équateur de 12.5 km/s. L'ordre de grandeur est respecté, l'erreur pouvant provenir principalement du fait que la fenêtre d'analyse n'est pas située exactement sur le bord de la planète.
Quelques applications concrètes Les interactions avec la matière Application de l absorption sur les grandes distances
Quelques applications concrètes Les supernovae (SN2006jc) Evolution temporelle des spectres L'échelle à droite indique la temps après l'explosion (en jours). Le spectre montre l'absence totale d'hydrogène. Seules quelques raies "étroites" d'hélium apparaissent au bout d'une dizaine de jours. Toutes les autres raies identifiées sont celles d'éléments chimiques "évolués" (oxygène, magnésium,...), provenant du cœur de l'étoile. Le spectre du bas donne l'identification de quelques raies et les raies étroites de l'hélium sont indiquées par des points rouges. Source: http://www.iap.fr/actualites/avoir/2007/supernova/14juin.html
Quelques applications concrètes Les interactions avec la matière L absorption par les molécules
Et concrètement Qu est-ce qu un amateur peut faire?
Les équipements faciles d accès Un constructeur français: Shelyak Instruments http://www.shelyak.com/(mr Thizy, basée en Isère) Toute une gamme de spectrographes, pour tous budgets et tous niveaux d expertise Kit éducatif (~100 ) Star Analyzer (~140 à 165 ) soleil Tube fluorescent Pour télescope ou APN Penser aux accessoires (bagues d adaptation )
Les équipements faciles d accès Gamme plus «pointue» de Shelyak Alpy (700 ++) LHiRes III (~3150 ) LHiRes lite (~1300 ) Lisa pack (~6100 )
Comment fonctionne un spectro Elément de dispersion de la lumière : Généralement, réseau de diffraction
Comment fonctionne un spectro Un réseau étale la lumière sur le détecteur Fente d entrée pour la résolution Elément disperseur de lumière Autoguidage pour suivre les objets peu lumineux
Comment on s en sert Star analyzer ou réseau: Efficacité optimale sur les étoiles (objets ponctuels), éventuellement avec des astres à spectre d émission Delta Virgo (objet ponctuel) éclipse de soleil (objet étendu) Nébuleuses planétaires (objets étendus, mais à spectre d émission)
Et qu est-ce qu on peut en faire? Pour faire un peu de science Calibration du spectre En longueur d onde En intensité (compensation des défauts instrumentaux, de la réponse du capteur, des éventuels filtres, de l atmosphère, ) Logiciel ISIS (http://www.astrosurf.com/buil/isis/isis.htm) C est là où ça commence à se compliquer un peu Communautés d amateurs, coopération avec des pro: Astronomical Ring for Access to Spectroscopy : http://www.astrosurf.com/aras/ Pour mémoire, présentation A. Malengreau/J.-M. Delucheen 2013 (après le Week-end Technique d'astronomie de Lyon WETAL. Voir http://www.cala.asso.fr/-wetal-13-.html)
Merci de votre attention Contact: olivier.martin63@yahoo.fr