S

1
Séminaire AudeGenève - Mai 2002Spectrographie

• Christian Buil

2
La décomposition de la lumière
Dispersion avec un prisme
3
La dispersion des couleurs
Faible dispersion
Forte dispersion
4
La résolution spectrale
Mauvaise séparation des couleurs
Bonne séparation des couleurs
5
La notion de longueur d onde
570 nm 0,000570 mm 7500 angströms
6
Les raies spectrales
Structure de latome et mécanique quantique
7
Spectres de raies
Continu
Hélium
Sodium
Argon
8
Un disperseur le réseau à diffraction
Réflexion
Transmission
Formule du réseau
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 donde (en mm)
9
Ordres de diffraction
Blaze profil particulier des traits permettant
de concentrer la majorité du flux dans un ordre
(ici lordre 1)
10
Spectrographe à réseau
Schéma type...
11
Paramètres dun spectrographe
Utilisation dobjectifs photographiques
Epure optique Tracer le contour des optiqueset
des faisceaux pour compacter au mieux le
dispositif
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Résolution spectrale (1/2)
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
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.

13
Résolution spectrale (2/2)
Profondeur du réseau D1 . tan ?
D1
? ,?
Dans une combinaison Littrow (? ?)
Soit
14
Réseau dans le faisceau convergeant
Pour simplicité
Contre aberrations optiques importantes (perte
de résolution)
15
Réseau dans le faisceau convergeant
Adaptation (réseau à transmission)
16
Réseau dans le faisceau convergeant
Image caractéristiqueavec une étoile Spectromét
rie de champ (pas de fente)
17
Spectroscopie multi-objets
Réseau dans le faisceauConvergeant du télescope
Simplicité, mais mauvaiseséparation entre
linformationspectrale et linformationspatiale
Présence du fond de ciel sous  le spectre
(diminutiondu rapport signal/bruit) Attention
danger de voir lespectre ce projeté
accidentellement sur une étoile du champ
(prévoir de pouvoir  tourner  le spectro).
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Réseau dans le faisceau convergeant
Champ de la nébuleuse NGC2392
19
La spectro express
Réseau à diffraction dans le faisceau convergeant
Distance réseau/CCD 20 à 40 mm typ.
Réseau Jeulin (30 Eu)
20
Focalisation
21
Létalonnage spectral
Associer une longueur donde à un pixel
Identification des raies...
Mesure des positions (par rapport à lordre zéro)
22
Létalonnage spectral exemple
Exemple raie rouge de lhydrogène à 6563
Atrouvée à X2,340 mm (réseau 100 traits/mm)
23
Identification des raies spectrales (1/5)
Attention au recouvrement dordres... (le bleu de
lordre 2 se superpose au rouge de lordre 1)
Parade utilisation dun filtre rouge pour voir
la partie IR (filtre dordre)
24
Identification des raies spectrales (2/5)
Raies H-alpha en émission de certaines étoiles Be
(Zeta Tau, Gamma Cas, Kappa Dra, )
25
Identification des raies spectrales (3/5)
Utilisation de léclairage urbain spectres de
lampadaires
Webcam images couleurs
26
Identification des raies spectrales (4/5)
Spectre démission de la nébuleuse Messier 57
Spectro-imagerie (pas de fente)
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Identification des raies spectrales (5/5)
Utilisation des raies de latmosphère terrestre
(tellurique)Ici les raies de la valeur deau au
voisinage de la raie H-alpha
Etalonnage spectral très précis autour de la raie
de la raie rouge de lhydrogène
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Le prétraitement
Exploitationutilisation de Visual Spec (V.
Desnoux)
29
Autre montage utilisation dun collimateur
Montage avec une lentille de Barlow
amélioration de la qualité du spectre
30
Utilisation dun collimateur
31
Utilisation dune Barlow montage pratique
32
Utilisation dune Barlow résultat
33
Montage traditionnel
Létoile Delta Scorpionavec une webcam
Ensemble plus encombrant quavec une barlow
34
La compacité enjeu important sur les instruments
amateur
Utilisation dun réseau par réflexion
35
Utilisation dune fente extension du domaine
d'application

• Fente longue pourquoi ?
• Isoler un objet
• Limiter le fond de ciel
• Faciliter létalonnage

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Utilisation dune fente
La nébuleuse Messier 8
Fente large
Fente étroite
Lunette de FSQ-106 Spectro R800
37
Utilisation dune fente
Observation dobjets à surface étendue
38
Utilisation dune fente
Etalonnage spectral avec un spectre de référence
Le spectre de la galaxie M81
Spectre du Soleil et du gaz néon
39
Vers plus de compacité...
Configuration Littrow
Objectif de 50 mm Réseau 600 t/mm Dispersion
2,9 A/pixel - Résolution R1000
40
Configuration Littrow
Réseau Edmond 600 t/mm objectif photo Nikon de
50 mm caméra Audine
41
Un spectrographe compact
http//www.astrosurf.com/buil
42
Un spectrographe compact performances
Létoile Procyon
43
Un spectrographe compact performances
44
Rendement du spectrographe (throughput)
Dépend de la transmission optique, du rendement
quantique du CCD,
45
Spectrographe R1000 sur "petite" monture
Utilisation sur une monture GD-DX et une lunette
de 100 mm
46
La mise en oeuvre
Attention au chromatisme(ici une lunette
fluorite)
Attention à la focalisation
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Une version haute-résolution
R7000
Objectif Nikon de 180 mm de focale
48
Programmes dobservationsen fonction de la
résolution
Résolution R rapport de la longueur par le plus
petit élément spectral séparable à cette
longueur donde
Avec un télescope de 200 mm
Très basse résolution (R100) Mag. Limite 15 -
Supernovae, Novae, comètes lointaines,
quasars Basse résolution (R1000) Mag. Limite
11 -gt novae - Etoiles variables - Etoiles Be
(photométrie) - Novae - Comètes brillantes -
Nébuleuses - Satellites planétaires Moyenne
réolution (R6000) Mag. Limite 8 -gt Profil de
raies sur Be, variables, quelques novae, binaires
eclipses Haute résolution (R20000) Mag.
Limite 3 -gt exoplanètes...
49
Qu'elle configuration optique ? (1/4)
Spectro R1000 - fente large
50
Qu'elle configuration optique ? (2/4)
Barlow Tele Vue 1.8x (F-124 mm) objectif F55
mmCollimateur F135 mm objectif F55 mm
51
Qu'elle configuration optique ? (3/4)
Barlow Tele Vue 1.8x (F-124 mm) objectif F55
mm Celestron 8Littrow Collimateur objectif
F50 mm réseau 600 t/mm Lunette FSQ-106
52
Quelle configuration optique ? (4/4)
Notation
Jeulin 300 t/mm Jeulin 300 t/mm Littrow
600 t/mm Barlow 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
53
Exemples dapplications étoiles classiques (1/2)
R1000
54
Etoiles classiques (2/2)
R1000
55
La résolution spectrale
Etoile double spectroscopique
57 Cygni
AD 20h53.2 DEC 4423' Magnitude 4.72 Type
sectral B5VB5V Période 2.8548 days Demi
amplitude vitesse radiale 111.9 km/s (primaire)
et 126.0 km/s (secondaire)
56
Nébuleuses planétaires
NGC 6210 Dispersion de 32 A/pixel
57
Etoiles et nébuleuses
Wolft-Rayet 136
NGC 6888
58
Un bout de lunivers les quasars
Réseau dans le faisceau convergeant
3C273 Télescope de 190 mm en ville (mag. 3 à
lœil)
59
Programme dobservation des étoiles Be (1/3)
Comparaison étoile standard et étoile Be (raies
en émission)
60
Programme dobservation des étoiles Be (2/3)
Formes du profil de raie dépend (entre-autre)
de linclinaison de laxe de rotation de létoile
61
Programme dobservation des étoiles Be (3/3)
Evolution temporelle du profil de raie
Spectre dynamique de Omega Orion
Août 2001 Février 2002
62
Mesures astrophysiques (1/4)
Largeur équivalente (W), largeur à mi-hauteur
(FWHM),
63
Mesures astrophysiques (2/4)
Rapport V/R,
64
Mesures astrophysiques (3/4)
effet Doppler,
Corrections héliocentriques(Doppler et temps
heliocentrique) Etoile 42 And
65
Mesures astrophysiques (4/4)
, Vitesse des gaz
66
Les novae (1/3)
Nova Cygni 2001 n2
Evolution très rapide du  profil de raie  (ici
autour de H-alpha)
R7000
67
Les novae (2/3)
Nova Cygni 2001 N1
R1000
68
Les novae (3/3)
NOVA OPHIUCHI 2002
NOVA SAGITTARII 2001 N3
69
Les supernovae
SN1999ac (M14.8) Toulouse Télescope de 190 mm
70
Les supernovae
SN1999Cl (LX200 8 pouces réseau Rainbow Optics)
71
Les supernovae
Traitement Comparaison pros/amateurs
72
Les supernovae
La supernova 2000 B
(découverte par Pierre Antonini)
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 SN16,2
Spectre de SN2000B réalisé au T1M du Pic du Midi
avec le grism Rainbow (C. Buil, F. Colas, A.
Fienga). Supernova de type Ia.
73
Les supernovae
La supernova 2000P
Supernova de type II
(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.
74
Les étoiles variables
Exemple des étoiles carbonées
75
Les comètes (1/3)
C/2001 A2 (LINEAR) Juillet 2001
Spectrographe compact R800
76
Les comètes (2/3)
Comète Linear 2001 A2
Du bon usage dune fente
Image Valérie Desnoux (ETX90 Audine)
77
Les comètes (3/3)
78
Quelques conditions pour réussir...

• 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)

79
La spectrographie Un nouvel Eldorado pour les
amateurs
A vous de jouer !