19/01/2006séminaire du sap1/28 siamois sismomètre interférentiel a mesurer les oscillations des...

19/01/2006 Séminaire du SAp 1/28

SIAMOIS Sismomètre Interférentiel A Mesurer les Oscillations des Intérieurs Stellaires

Astérosismologie en Antarctique au Dôme C

Benoît Mosser, Michel Auvergne, Thierry Appourchaux, Annie Baglin, Caroline Barban, Claude Catala, Marc-Antoine Dupret, MarieJo Goupil, Jean-Pierre Maillard, Eric Michel, Reza

Samadi, Francois-Xavier Schmider, Frédéric Thévenin, Gérard Vauclair et al.

Observatoire de Paris/LESIA,IAP, IAS, UNSA/LUAN, OMP/LATT, OCA


PLAN

• Quel programme d’astérosismologie mener après COROT ?

• Quelques caractéristiques du Dôme C en Antarctique

• SIAMOIS : principe et performances instrumentales

• Le projet : organisation, programme scientifique


En 2006, du sol

Les observations astérosismiques du sol restent limitées par l’effet de fenêtre


En 2006, du sol

Les observations astérosismiques du sol restent toujours limitées par l’effet de fenêtre en observation bi-sites

Besoin d’observations continues


En 2009, fin de la mission COROT

aura achevé un programme considérable !

Et après ???


Photométrie / spectrométrie

• Le signal spectrométrique est moins bruité par la granulation que son équivalent photométrique

• Les modes de degré l = 3 sont ~ 3 fois plus visibles par spectrométrie

mesure de la petite séparation entre les modes de degrés 1 et 3

Mesure au sol, donc spectrométriques, continues, de longue durée : réseau ou Antarctique


Les buts scientifiques après COROT

1ère étape : dans l’espace, photométrie 2ème étape : du sol, spectrométrie

Pour des observations complémentaires à COROT :• Étoiles brillantes• Étoiles de faible masse• Signal Doppler (bruit de granulation limité, modes l = 3)

• Suivi de type de cibles repérées par COROT• Questions soulevées par COROT…

Et nécessairement, après COROT :

observations continues sur de longues durées


Le Dôme C

• Base Concordia :

75°06’ sud ; 123°21’ est

• Températures moyennes

40°C l’été

60°C l’hiver• Vent faible• Précipitations limitées

2 à 10 cm/an neige

Nuit polaire : 3 mois

Seeing dominé par les 30 premiers mètres


cycle utile > 90 %pendant les 3 mois d’hiver (K. Agabi)


Premières observations au Dôme C

Spécifications pour un projet d’observations au Dôme C

• Projet intégré - et testable de A à Z avant installation en Antarctique

• Collecteur de taille réduite- pour débuter

• Projet entièrement automatisé, quasi spatial- intervention humaine limitée à la survie de l’appareil- masse, puissance, télémétrie mesurées

• Programme scientifique ambitieux- irréalisable ailleurs, sauf peut être dans l’espace- bien positionné par rapport à COROT


Observations au Dôme C

-1- 2009/2010Projet intégré d’astérosismologie, avec un « petit » télescope, sismomètre dédié

-2- A l’horizon 2010/2012 : télescope de la classe 2-m avec un spectropolarimètre

• IPEV (Institut Paul-Emile Victor)- gère la base Concordia- subventionne le fonctionnement des projets scientifiques

• INSU / Groupe Antarctique- promeut les observations au Dôme C- doit identifier des projets pour commencer l’exploitation astronomique du site

• PNPS :- conseille le développement rapide d’un astérosismomètre au Dôme C


• Principe (Bouchy et al. 2001, Mosser et al. 2003) : performances limitées par le bruit de photons :

•Un sismomètre, en plus d’être extrêmement stable, se doit d’être

- efficace facteur de qualité Q - lumineux nombre de photoélectrons Ne

• Le facteur de qualité Q dépend :- de l’étoile (type spectral, rotation)- de l’instrument :

GS : spectromètre à réseauFS : spectromètre de Fourier

L’astérosismométrie Doppler


Le facteur de qualité mesurele nombre, la profondeur et la finesse des raies stellaires

Q # dln A /dln

Facteur de qualité stellaire

Avantage aux étoiles froidesAile bleue du spectre plus performante


Le facteur de qualité mesuré dépend de la résolution R du spectromètre

Obtenir une résolution élevée nécessite une fente source fine et un spectromètre de grande taille :

R # f / d

GS : sismo avec un spectro réseau

Spectromètre à réseau : nécessairement de taille imposante


Sismométrie par transformée de Fourier

Le signal Doppler est recherché dans l’interférogramme d’une portion du spectre stellaire

FS : sismométrie par TF


FT seismometry successfully tested with the FTS at CFHT

Procyon Mosser et al. 1998, A&A 340, 457

JupiterMosser et al. 2000, Icarus 144, 104

Sismométrie par TF

FTS au CFHT : scan de la frangeInstrument dédié : enregistrement simultané des différents points de la frange


(Mosser et al. 2003, PASP 115, 990)

• Le facteur de qualité Q augmente avec

- le nombre d’onde

- la différence de marche de travail opt

- le contraste des franges C• Un bon contraste de franges C nécessite un domaine spectral étroit

… en contradiction avec la spécification sur Ne

FS : facteur de qualité

Nécessité d’observer dans plusieurs bandes spectrales

avec


Sismométrie par transformée de Fourier avec post-dispersion

Le signal Doppler est recherché dans l’interférogramme de de chaque élément spectral défini par la post-dispersion

FS : post - dispersion


Comparaison FS / GS

Projet GS FSFibre Brouillage Double ( /400)

1"~ 6 m/s

Simple ( /100)

1"~ 1 cm/s

Résolution Dispersion R QGS R 1/dfibre-----

Post-dispersion Rpd QFS Rpd

Facteur de qualitéQGS = Q(Q* , R) QFS = Q(Q* , Rpd)

Elément dimensionnant Réseau 10 x 40 cm ddm 1 cm

Détecteur 4k x 2k 1k x 256

Bilan : FS plus lumineuxInstrument plus compact


Comparaison : pôle / réseau

Projets SONG

Danemark, Australie

SIAMOIS

France

Réseau

~ équateur

Base Concordia

Dôme C

Nombre de sites pour un cycle utile de 90%

Au-moins 6 1

Atout Redondance Site : cycle utile, altitude

Point dimensionnant Réf = lampe à iode

Perte d’efficacité

Site

Principe FS

Coût annoncé 600 kE par site 800 kE

Maintenance 6 sites au-moins à maintenir Projet quasi-spatial

Projets complémentaires


Performances : GS versus FS

Performances comparées

GS de type HARPS (réf = lampe ThAr) de

résolution 90000

FS de type SIAMOIS avec une post-dispersion de

1200.

GS plus sensible que FS si référence = lampe ThArPerformances GS moindre (~ 50%) si référence = cellule à iodePerformances limitées par le bruit de photons ~ identiques


GS : performances au Dôme C

Performances limitées par le bruit de photons :SIAMOIS, au Dôme C, 40-cm télescope, 120 heures avec un cycle utile de 95%, mV = 4 ‘‘SNR’’ obtenu sur les cibles circumpolaires accessibles


Cibles

Cibles observables avec SIAMOIS et un collecteur de 40-cm

dédié au projet

• Télescope de 40-cm :- 7 cibles F, G et K de classe IV & V,oscillations de type solaire

- plus de 30 géantes rouges ; très nombreuses Scuti (v sin i < 20 km/s)

Un programme scientifique pour plus de 3 hivernages

COROT


Cibles

1) Etoiles K à F, de classe IV et V : oscillations de type solaire


Cibles

1) Etoiles K à F, de classe IV et V : oscillations de type solaire2) Géantes rouges3) Cibles de type delta-Scuti


L’instrument

• 40-cm telescope low cost, easy ‘antartization’, dedicated to the projet • Interferometer monolithic instrument

no moving part, reduced sizefiber fed

• Post-dispersion efficiency, photon noise limited performances


Planning du projet

• 2004: phase 0- étude préliminaire- test d’un sous-système critique

• 2005: phase A (financement = ACI)- design de l’instrument pour l’Antarctique- projet intégré- recommandation positive du groupe de travail du PNPS pour le Dôme C

• 2006: fin de phase A + phase B (ACI)- design de l’instrument complet ; analyse thermo-mécanique- prototype, tests

• 2008- transfert au Dôme C

• 2009: premier hivernage au Dome C

PARTENAIRES : LESIA, IAS, LUAN, LATT

Interféromètre SIAMOISJP Amans, GEPI, Obs Paris


• Dôme C : un site unique pour l’astérosismologie3 mois avec un cycle utile ~ 90%

• Un programme scientifique spécifique après• Des performances avec un collecteur de 40 cm

– Un projet pour poursuivre le leadership en astérosismologie des équipes françaises réunies par l’objectif COROT

– Un projet pour ‘apprendre à observer’ dans les conditions qu’offre la base Concordia au Dôme C

– Un projet d’avenir : l’avantage multiplex d’un spectromètre par TF permet d’envisager le suivi simultané de plusieurs cibles

Conclusion

‘‘Big science’’ au Dôme C pour un budget < 1 ME

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