séminaire aude genève - mai 2002 spectrographie

Séminiare Aude Mai 2002 1

Séminaire AudeGenève - Mai 2002

Spectrographie

Christian Buil

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La décomposition de la lumière

Dispersion avec un prisme

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La dispersion des couleurs

Faible dispersion

Forte dispersion

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La résolution spectrale

Mauvaise séparation des couleurs

Bonne séparation des couleurs

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La notion de longueur d ’onde

570 nm = 0,000570 mm = 7500 angströms

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Les raies spectrales

Structure de l’atome et mécanique quantique

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Spectres de raies

Continu

Hélium

Sodium

Argon

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Un disperseur : le réseau à diffraction

Réflexion

Transmission

sin 1 + sin 2 = kn

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)

Formule du réseau

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Ordres de diffraction

Blaze : profil particulier des traits permettant de concentrer la majorité du flux dans un ordre (ici l’ordre 1)

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Spectrographe à réseau

Schéma type...

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Paramètres d’un spectrographe

Epure optique :Tracer le contour des optiqueset des faisceaux pour compacter au mieux le dispositif

Utilisation d’objectifs photographiques

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Résolution spectrale (1/2)

cossin

tanθ.

1

sDD

R

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

sθ.tan.1 .2

DD

R

Configuration Littrow (1 = 2) :

•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.

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Résolution spectrale (2/2)

Profondeur du réseau = D1 . tan

Dans une combinaison Littrow ( = ) :sθ .

αtan.1. 2

D

DR

,D1

Soit :sθ.

r)(profondeu 2

DR

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Réseau dans le faisceau convergeant

Pour : simplicité

Contre : aberrations optiques importantes (perte de résolution)

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Réseau dans le faisceau convergeant

Adaptation (réseau à transmission)

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Réseau dans le faisceau convergeant

Image caractéristiqueavec une étoile…

Spectrométrie de champ(pas de fente)

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Spectroscopie multi-objets

Réseau dans le faisceauConvergeant du télescope

Simplicité, mais mauvaiseséparation entre l’informationspectrale et l’informationspatiale

Présence du fond de ciel« sous » le spectre (diminutiondu rapport signal/bruit)

Attention : danger de voir lespectre ce projeté accidentellement sur uneétoile du champ (prévoir de pouvoir « tourner » le spectro).

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Réseau dans le faisceau convergeant

Champ de la nébuleuse NGC2392

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La spectro express…

Réseau à diffraction dans Réseau à diffraction dans le faisceau convergeantle faisceau convergeant

Réseau Jeulin (30 Eu)Réseau Jeulin (30 Eu)

Distance réseau/CCD : 20 à 40 mm typ.

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Focalisation

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L’étalonnage spectral

Identification des raies...

Mesure des positions (par rapport à l’ordre zéro)

Associer une longueur d’onde à un pixel

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L’étalonnage spectral : exemple

Exemple : raie rouge de l’hydrogène à 6563 Atrouvée à X=2,340 mm (réseau 100 traits/mm)…

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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)

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Identification des raies spectrales (2/5)Raies H-alpha en émission de certaines étoiles Be (Zeta Tau, Gamma Cas, Kappa Dra, …)

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Identification des raies spectrales (3/5)

Webcam :images couleurs…

Utilisation de l’éclairage urbain… spectres de lampadaires

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Identification des raies spectrales (4/5)

Spectre d’émission de la nébuleuse Messier 57

Spectro-imagerie (pas de fente)

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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…

Etalonnage spectral très précis autour de la raie de la raie rouge de l’hydrogène

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Le prétraitement

Exploitation…utilisation de Visual Spec (V. Desnoux)

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Autre montage : utilisation d’un collimateur

Montage avec une lentille de Barlow : amélioration de la qualité du spectre

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Utilisation d’un collimateur

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Utilisation d’une Barlow : montage pratique

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Utilisation d’une Barlow : résultat

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Montage traditionnel

L’étoile Delta Scorpionavec une webcam

Ensemble plus encombrant qu’avec une barlow

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La compacité… enjeu important sur les instruments amateur

Utilisation d’un réseau par réflexion

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Utilisation d’une fente… extension du domaine d'application

Fente longue… pourquoi ?

• Isoler un objet• Limiter le fond de ciel• Faciliter l’étalonnage

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Utilisation d’une fente

Fente large Fente étroite

La nébuleuse Messier 8

Lunette de FSQ-106 – Spectro R=800

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Utilisation d’une fente

Observation d’objets à surface étendue

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Utilisation d’une fente

Etalonnage spectral avec un spectre de référence

Le spectre de la galaxie M81

Spectre du Soleil et du gaz néon

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Vers plus de compacité...

Configuration Littrow

Objectif de 50 mm – Réseau 600 t/mmDispersion : 2,9 A/pixel - Résolution R=1000

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Configuration Littrow

Réseau Edmond 600 t/mm + objectif photo Nikon de 50 mm + caméra Audine

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Un spectrographe compact

http://www.astrosurf.com/buil

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Un spectrographe compact : performances

L’étoile Procyon

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Un spectrographe compact : performances

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Rendement du spectrographe (throughput)

Dépend de la transmission optique, du rendement quantique du CCD, …

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Spectrographe R=1000 sur "petite" monture

Utilisation sur une monture GD-DX et une lunette de 100 mm

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La mise en oeuvre

Attention à la focalisation

Attention au chromatisme(ici une lunette fluorite)

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Une version haute-résolution

R=7000Objectif Nikon de 180 mm de focale

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Programmes d’observationsen fonction de la résolution

Très basse résolution (R=100) : Mag. Limite 15 - Supernovae, Très basse résolution (R=100) : Mag. Limite 15 - Supernovae, Novae, comètes lointaines, quasars…Novae, comètes lointaines, quasars…

Basse résolution (R=1000) : Mag. Limite 11 -> novae - Etoiles Basse résolution (R=1000) : Mag. Limite 11 -> novae - Etoiles variables - Etoiles Be (photométrie) - Novae - Comètes brillantes - variables - Etoiles Be (photométrie) - Novae - Comètes brillantes - Nébuleuses - Satellites planétaires…Nébuleuses - Satellites planétaires…

Moyenne réolution (R=6000) : Mag. Limite 8 -> Profil de raies sur Moyenne réolution (R=6000) : Mag. Limite 8 -> Profil de raies sur Be, variables, quelques novae, binaires eclipses…Be, variables, quelques novae, binaires eclipses…

Haute résolution (R=20000) : Mag. Limite 3 -> exoplanètes... Haute résolution (R=20000) : Mag. Limite 3 -> exoplanètes...

Avec un télescope de 200 mm…

Résolution R : rapport de la longueur par le plus petit élément spectral séparable à cette longueur d’onde

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Qu'elle configuration optique ? (1/4)

Spectro R=1000 - fente large

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Qu'elle configuration optique ? (2/4)

Barlow Tele Vue 1.8x (F=-124 mm) + objectif F=55 mmCollimateur F=135 mm + objectif F=55 mm

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Qu'elle configuration optique ? (3/4)

Barlow Tele Vue 1.8x (F=-124 mm) + objectif F=55 mm + Celestron 8Littrow Collimateur & objectif F=50 mm + réseau 600 t/mm + Lunette FSQ-106

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Quelle configuration optique ? (4/4)

Jeulin 300 t/mm Jeulin 300 t/mm Littrow 600 t/mmBarlow 1.8x Collimateur 135 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

TOTAL 10 10 10

Notation…

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Exemples d’applications : étoiles classiques (1/2)

R=1000

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Etoiles classiques (2/2)

R=1000

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La résolution spectrale

AD: 20h53.2DEC: +44°23'Magnitude: 4.72Type sectral: B5V+B5VPériode: 2.8548 daysDemi amplitude vitesse radiale: 111.9 km/s (primaire) et 126.0 km/s (secondaire)

57 Cygni57 Cygni

Etoile double spectroscopique

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Nébuleuses planétaires

NGC 6210NGC 6210Dispersion de 32 A/pixelDispersion de 32 A/pixel

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Etoiles et nébuleuses

Wolft-Rayet 136Wolft-Rayet 136

NGC 6888NGC 6888

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Un bout de l’univers : les quasars

3C2733C273Télescope de 190 mm en ville (mag. 3 à l’œil)Télescope de 190 mm en ville (mag. 3 à l’œil)

Réseau dans le faisceau convergeant

Séminiare Aude Mai 2002 59

Programme d’observation des étoiles Be (1/3)

Comparaison étoile standard et étoile Be (raies en émission)

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Programme d’observation des étoiles Be (2/3)

Formes du profil de raie : dépendFormes du profil de raie : dépend(entre-autre) de l’inclinaison de (entre-autre) de l’inclinaison de l’axe de rotation de l’étoilel’axe de rotation de l’étoile

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Programme d’observation des étoiles Be (3/3)

Spectre dynamique de Omega OrionSpectre dynamique de Omega OrionAoût 2001 – Février 2002Août 2001 – Février 2002

Evolution temporelle du profil de raie

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Mesures astrophysiques (1/4)

Largeur équivalente (W), largeur à mi-hauteur (FWHM), …

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Mesures astrophysiques (2/4)

… Rapport V/R, …

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Mesures astrophysiques (3/4)

Corrections héliocentriquesCorrections héliocentriques(Doppler et temps heliocentrique)(Doppler et temps heliocentrique)Etoile 42 AndEtoile 42 And

… effet Doppler, …

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Mesures astrophysiques (4/4)

…, Vitesse des gaz

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Les novae (1/3)

Nova Cygni 2001 n°2

R=7000

Evolution très rapide du « profil de raie » (ici autour de H-alpha)

Séminiare Aude Mai 2002 67

Les novae (2/3)

Nova Cygni 2001 N°1Nova Cygni 2001 N°1

R=1000

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Les novae (3/3)

NOVA SAGITTARII 2001 N°3NOVA SAGITTARII 2001 N°3 NOVA OPHIUCHI 2002NOVA OPHIUCHI 2002

Séminiare Aude Mai 2002 69

Les supernovae

SN1999ac (M=14.8)

ToulouseTélescope de 190 mm

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Les supernovae

SN1999Cl (LX200 8 pouces + réseau Rainbow Optics)

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Les supernovaeTraitement – Comparaison pros/amateurs

Séminiare Aude Mai 2002 72

Les supernovae

SN 2000B le 14 Janvier 2000. Audine KAF-0400E et lunette FSQ-106 Takahashi sur monture Vixen GP. Addition de 26 poses de 60 seconde. Magnitude de la SN:16,2

(découverte par Pierre Antonini)

Spectre de SN2000B réalisé au T1M du Pic du Midi avec le grism Rainbow (C. Buil, F. Colas, A. Fienga). Supernova de type Ia.

La supernova 2000 B

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Les supernovae

La supernova 2000P(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.

Supernova de type II

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Les étoiles variables

Exemple des étoiles carbonées

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Les comètes (1/3)

C/2001 A2 (LINEAR) – Juillet 2001C/2001 A2 (LINEAR) – Juillet 2001

Spectrographe compact – R=800

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Les comètes (2/3)

Image Valérie Desnoux (ETX90 + Audine)

Comète Linear 2001 A2

Du bon usage d’une fente…

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Les comètes (3/3)

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• 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…)

Quelques conditions pour réussir...

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La spectrographie : Un nouvel Eldorado pour les amateurs…

A vous de jouer !