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Séminaire Aude Genève - Mai 2002 Spectrographie. Christian Buil. La décomposition de la lumière. Dispersion avec un prisme. La dispersion des couleurs. Faible dispersion. Forte dispersion. La résolution spectrale. Mauvaise séparation des couleurs. Bonne séparation des couleurs. - PowerPoint PPT Presentation
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Séminiare Aude Mai 2002 1
Séminaire AudeGenève - Mai 2002
Spectrographie
Christian Buil
Séminiare Aude Mai 2002 2
La décomposition de la lumière
Dispersion avec un prisme
Séminiare Aude Mai 2002 3
La dispersion des couleurs
Faible dispersion
Forte dispersion
Séminiare Aude Mai 2002 4
La résolution spectrale
Mauvaise séparation des couleurs
Bonne séparation des couleurs
Séminiare Aude Mai 2002 5
La notion de longueur d ’onde
570 nm = 0,000570 mm = 7500 angströms
Séminiare Aude Mai 2002 6
Les raies spectrales
Structure de l’atome et mécanique quantique
Séminiare Aude Mai 2002 7
Spectres de raies
Continu
Hélium
Sodium
Argon
Séminiare Aude Mai 2002 8
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
Séminiare Aude Mai 2002 9
Ordres de diffraction
Blaze : profil particulier des traits permettant de concentrer la majorité du flux dans un ordre (ici l’ordre 1)
Séminiare Aude Mai 2002 10
Spectrographe à réseau
Schéma type...
Séminiare Aude Mai 2002 11
Paramètres d’un spectrographe
Epure optique :Tracer le contour des optiqueset des faisceaux pour compacter au mieux le dispositif
Utilisation d’objectifs photographiques
Séminiare Aude Mai 2002 12
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.
Séminiare Aude Mai 2002 13
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
Séminiare Aude Mai 2002 14
Réseau dans le faisceau convergeant
Pour : simplicité
Contre : aberrations optiques importantes (perte de résolution)
Séminiare Aude Mai 2002 15
Réseau dans le faisceau convergeant
Adaptation (réseau à transmission)
Séminiare Aude Mai 2002 16
Réseau dans le faisceau convergeant
Image caractéristiqueavec une étoile…
Spectrométrie de champ(pas de fente)
Séminiare Aude Mai 2002 17
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).
Séminiare Aude Mai 2002 18
Réseau dans le faisceau convergeant
Champ de la nébuleuse NGC2392
Séminiare Aude Mai 2002 19
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.
Séminiare Aude Mai 2002 20
Focalisation
Séminiare Aude Mai 2002 21
L’étalonnage spectral
Identification des raies...
Mesure des positions (par rapport à l’ordre zéro)
Associer une longueur d’onde à un pixel
Séminiare Aude Mai 2002 22
L’étalonnage spectral : exemple
Exemple : raie rouge de l’hydrogène à 6563 Atrouvée à X=2,340 mm (réseau 100 traits/mm)…
Séminiare Aude Mai 2002 23
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)
Séminiare Aude Mai 2002 24
Identification des raies spectrales (2/5)Raies H-alpha en émission de certaines étoiles Be (Zeta Tau, Gamma Cas, Kappa Dra, …)
Séminiare Aude Mai 2002 25
Identification des raies spectrales (3/5)
Webcam :images couleurs…
Utilisation de l’éclairage urbain… spectres de lampadaires
Séminiare Aude Mai 2002 26
Identification des raies spectrales (4/5)
Spectre d’émission de la nébuleuse Messier 57
Spectro-imagerie (pas de fente)
Séminiare Aude Mai 2002 27
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
Séminiare Aude Mai 2002 28
Le prétraitement
Exploitation…utilisation de Visual Spec (V. Desnoux)
Séminiare Aude Mai 2002 29
Autre montage : utilisation d’un collimateur
Montage avec une lentille de Barlow : amélioration de la qualité du spectre
Séminiare Aude Mai 2002 30
Utilisation d’un collimateur
Séminiare Aude Mai 2002 31
Utilisation d’une Barlow : montage pratique
Séminiare Aude Mai 2002 32
Utilisation d’une Barlow : résultat
Séminiare Aude Mai 2002 33
Montage traditionnel
L’étoile Delta Scorpionavec une webcam
Ensemble plus encombrant qu’avec une barlow
Séminiare Aude Mai 2002 34
La compacité… enjeu important sur les instruments amateur
Utilisation d’un réseau par réflexion
Séminiare Aude Mai 2002 35
Utilisation d’une fente… extension du domaine d'application
Fente longue… pourquoi ?
• Isoler un objet• Limiter le fond de ciel• Faciliter l’étalonnage
Séminiare Aude Mai 2002 36
Utilisation d’une fente
Fente large Fente étroite
La nébuleuse Messier 8
Lunette de FSQ-106 – Spectro R=800
Séminiare Aude Mai 2002 37
Utilisation d’une fente
Observation d’objets à surface étendue
Séminiare Aude Mai 2002 38
Utilisation d’une fente
Etalonnage spectral avec un spectre de référence
Le spectre de la galaxie M81
Spectre du Soleil et du gaz néon
Séminiare Aude Mai 2002 39
Vers plus de compacité...
Configuration Littrow
Objectif de 50 mm – Réseau 600 t/mmDispersion : 2,9 A/pixel - Résolution R=1000
Séminiare Aude Mai 2002 40
Configuration Littrow
Réseau Edmond 600 t/mm + objectif photo Nikon de 50 mm + caméra Audine
Séminiare Aude Mai 2002 41
Un spectrographe compact
http://www.astrosurf.com/buil
Séminiare Aude Mai 2002 42
Un spectrographe compact : performances
L’étoile Procyon
Séminiare Aude Mai 2002 43
Un spectrographe compact : performances
Séminiare Aude Mai 2002 44
Rendement du spectrographe (throughput)
Dépend de la transmission optique, du rendement quantique du CCD, …
Séminiare Aude Mai 2002 45
Spectrographe R=1000 sur "petite" monture
Utilisation sur une monture GD-DX et une lunette de 100 mm
Séminiare Aude Mai 2002 46
La mise en oeuvre
Attention à la focalisation
Attention au chromatisme(ici une lunette fluorite)
Séminiare Aude Mai 2002 47
Une version haute-résolution
R=7000Objectif Nikon de 180 mm de focale
Séminiare Aude Mai 2002 48
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
Séminiare Aude Mai 2002 49
Qu'elle configuration optique ? (1/4)
Spectro R=1000 - fente large
Séminiare Aude Mai 2002 50
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
Séminiare Aude Mai 2002 51
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
Séminiare Aude Mai 2002 52
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…
Séminiare Aude Mai 2002 53
Exemples d’applications : étoiles classiques (1/2)
R=1000
Séminiare Aude Mai 2002 54
Etoiles classiques (2/2)
R=1000
Séminiare Aude Mai 2002 55
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
Séminiare Aude Mai 2002 56
Nébuleuses planétaires
NGC 6210NGC 6210Dispersion de 32 A/pixelDispersion de 32 A/pixel
Séminiare Aude Mai 2002 57
Etoiles et nébuleuses
Wolft-Rayet 136Wolft-Rayet 136
NGC 6888NGC 6888
Séminiare Aude Mai 2002 58
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)
Séminiare Aude Mai 2002 60
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
Séminiare Aude Mai 2002 61
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
Séminiare Aude Mai 2002 62
Mesures astrophysiques (1/4)
Largeur équivalente (W), largeur à mi-hauteur (FWHM), …
Séminiare Aude Mai 2002 63
Mesures astrophysiques (2/4)
… Rapport V/R, …
Séminiare Aude Mai 2002 64
Mesures astrophysiques (3/4)
Corrections héliocentriquesCorrections héliocentriques(Doppler et temps heliocentrique)(Doppler et temps heliocentrique)Etoile 42 AndEtoile 42 And
… effet Doppler, …
Séminiare Aude Mai 2002 65
Mesures astrophysiques (4/4)
…, Vitesse des gaz
Séminiare Aude Mai 2002 66
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
Séminiare Aude Mai 2002 68
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
Séminiare Aude Mai 2002 70
Les supernovae
SN1999Cl (LX200 8 pouces + réseau Rainbow Optics)
Séminiare Aude Mai 2002 71
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
Séminiare Aude Mai 2002 73
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
Séminiare Aude Mai 2002 74
Les étoiles variables
Exemple des étoiles carbonées
Séminiare Aude Mai 2002 75
Les comètes (1/3)
C/2001 A2 (LINEAR) – Juillet 2001C/2001 A2 (LINEAR) – Juillet 2001
Spectrographe compact – R=800
Séminiare Aude Mai 2002 76
Les comètes (2/3)
Image Valérie Desnoux (ETX90 + Audine)
Comète Linear 2001 A2
Du bon usage d’une fente…
Séminiare Aude Mai 2002 77
Les comètes (3/3)
Séminiare Aude Mai 2002 78
• 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...
Séminiare Aude Mai 2002 79
La spectrographie : Un nouvel Eldorado pour les amateurs…
A vous de jouer !