10 expériences de spectroscopie astronomique , livre ebook

Le domaine d’investigation de la spectroscopie astronomique est immense et permet d’obtenir de nombreuses informations sur les objets célestes observés (planètes, étoiles, nébuleuses, novæ, supernovæ, galaxies, quasars) à travers la lumière qu’ils émettent.En effet, cette lumière peut se décomposer sous forme de spectre atomique et à partir de son analyse et des connaissances actuelles en physique, il est possible de déterminer différentes caractéristiques de l’astre étudié.Cet ouvrage présente les méthodes et les outils permettant l’analyse de spectre et aborde entre autres :– la mesure de la vitesse de fuite ou de rotation,– l’évolution dans le temps de certaines raies spectrales,– l’explosion d’une nova ou supernova,– la nature physique d’un objet (est-ce une nébuleuse planétaire ? est-ce une galaxie ?).La spectroscopie permet aussi de reconstituer une image en numérisant la surface d’une nébuleuse planétaire pour une longueur d’onde donnée. On peut également estimer la température d’une étoile, voire évaluer sa densité.Pour chaque chapitre, l’auteur indique le type de matériel à utiliser (optiques, caméra, spectrographe) et explique pas à pas la méthodologie pour produire les données nécessaires (acquisition, traitement des données…) grâce à dix exemples concrets que l’auteur a expérimentés lui-même.Cet ouvrage est destiné aux astronomes amateurs, curieux de connaître ce que l’on peut apprendre d’un spectre, afin de leur permettre ensuite de réaliser leurs propres observations et analyses rivalisant parfois avec celles des professionnels !1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Le but de ce livre 11.2 Les prérequis en astronomie 21.3 Les unités, conventions et valeurs physiques en spectroscopie 31.3.1 Longueurs d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3.2 La résolution spectrale d’un spectrographe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3.3 Domaines de longueur d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3.4 Les ADU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.5 Fichiers 1D et 2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.6 Zone de binning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.7 Zones de soustraction du fond de ciel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.8 Coordonnées d’un objet céleste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.3.9 Offsets, noirs, PLU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.3.10 Le rapport F/D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.4 Les spectrographes 71.4.1 Fabriquer son spectrographe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.4.2 Acheter un spectrographe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.4.3 Les spectrographes utilisés dans ce livre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.4.4 Le Star Analyser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.4.5 L’Alpy 600 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.4.6 Le LISA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.4.7 L’UVEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.4.8 Le LHIRES III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.4.9 L’eShel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.5 Les logiciels pour la spectrographie 171.5.1 Visual Spec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.5.2 ISIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.5.3 Demetra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.5.4 Spec INTI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 La température des étoiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.1 Les classes spectrales 192.2 La sélection des cibles 242.3 L’acquisition des spectres 262.4 Mise en valeur des résultats 282.5 Estimation de la température d’une étoile 312.6 Bibliographie 353 Le redshift des galaxies et des quasars . . . . . . . . . . . . . . . 373.1 Un peu d’histoire 373.2 Le choix des cibles 403.3 Réaliser le spectre d’une galaxie 433.3.1 Cible non ponctuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.3.2 Cible ponctuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.4 Les méthodes de calcul 463.5 Exemple avec NGC 7469 493.6 Identifier les raies spectrales de la galaxie NGC 7469 503.7 Corriger le spectre de la vitesse héliocentrique 513.8 Mesurer la position des raies spectrales 543.9 Redshifts importants : z >1, le quasar du « Parachute d’Andromède » 563.10 Cas de galaxies particulières 593.11 Trouver l’intrus 613.12 Référentiel de mesure d’un redshift 623.13 Bibliographie 634 La spectro-imagerie de nébuleuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.1 Principes de la spectro-imagerie 664.2 Choix de la cible 674.3 Cas pratique sur M57 714.4 Le traitement des séquences spectrales 734.5 Reconstitution des images 764.6 M57 dans diverses longueurs d’onde 814.7 Faire de la science avec les nébuleuses planétaires 824.8 Dérougir un spectre 844.9 Le décrément de Balmer 864.10 Le décrément de Balmer représenté sur une image 894.11 Calcul de la température électronique 924.12 La carte de température d’une nébuleuse 964.13 Calcul de la densité électronique 984.14 La carte de densité d’une nébuleuse 1004.15 Bibliographie 1005 Le suivi des étoiles Be . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035.1 Observer les étoiles Be 1055.1.1 La moyenne et haute résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1065.1.2 Les spectrographes échelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1065.1.3 La basse résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1075.2 Choisir les cibles à observer : la base BeSS 1085.3 Déposer votre premier spectre dans la base BeSS 1095.4 Les divers profils des étoiles Be 1125.5 Détecter un outburst 1145.6 Mesures et suivi sur du long terme 1155.7 Mesure des pics V et R d’une raie spectrale 1245.8 Mesure de la largeur équivalente (LE) 1255.9 Bibliographie 1306 Les spectres de novae et supernovae . . . . . . . . . . . . . . . . 1336.1 Nova ou supernova ? 1336.2 Où trouver les informations ? 1346.3 Les novae 1356.4 Observer le spectre d’une nova 1386.4.1 Les spectres en basse résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1396.4.2 Les spectres en moyenne/haute résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1406.5 Le profil de type P Cyg 1416.6 Convertir un graphe longueur d’onde en vitesse 1426.6.1 Avec le logiciel ISIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1436.6.2 Avec un script Python . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1446.7 Un cas pratique avec la nova V339 Del 1456.8 Les supernovae 1506.8.1 Supernovae de type Ia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1516.8.2 Autres types de supernovae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1526.9 Acquérir le spectre d’une supernova 1546.10 Exemple avec SN 2021 pit 1556.11 Calculer la vitesse de l’éjecta de la supernova 1586.12 Bibliographie 1617 Confirmer une nébuleuse planétaire . . . . . . . . . . . . . . . . . 1637.1 L’histoire de la nébuleuse planétaire LDu 1 1647.2 Comment confirmer une nébuleuse planétaire ? 1717.3 Exemples de spectres obtenus 1727.3.1 Pre 24 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1737.3.2 Ra 69 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1757.3.3 Hu 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1777.3.4 DeGaPe 32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1787.3.5 Pa 30, un objet très bizarre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1797.4 Bibliographie 1838 Mesurer une vitesse de rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1878.0.1 Influence de l’inclinaison de l’axe de rotation . . . . . . . . . . . . . . . 1888.1 La rotation des planètes 1898.2 Cas pratique avec Jupiter 1908.3 La rotation de Saturne et de ses anneaux 1958.4 Largeur d’une raie à mi-hauteur 1988.5 Mesure de la vitesse de rotation en fonction de sa FWHM 2028.6 La rotation du disque d’une étoile Be 2038.7 La rotation de matières proche d’un trou noir d’une galaxie 2088.8 La rotation des bras de la galaxie M77 2128.8.1 Conversion distance en pixels / distance en parsecs . . . . . . . . . . 2178.8.2 Un indice de matière noire ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2208.9 Bibliographie 2219 Séries temporelles en spectroscopie . . . . . . . . . . . . . . . . . 2259.1 Les graphiques 2D dynamiques 2269.2 BW Vul, une étoile puissante à courte période 2299.2.1 Traitement d’une série avec ISIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2319.3 Étudier RR Lyr 2349.4 Étudier le scintillement des raies spectrales 2379.5 Bibliographie 24210 Les binaires spectroscopiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24510.1 Principe de mesure des binaires spectroscopiques 24510.2 Un peu d’histoire 24710.3 Observer une binaire spectroscopique 24910.4 Cas pratique avec Mizar A 25110.5 Ordonner les spectres selon la phase 25210.6 L’évolution spectrale de Mizar A 25410.7 Mesurer la période d’une binaire spectroscopique : le périodogramme 25610.8 L’excentricité d’une orbite 26110.9 HIP 45080, une binaire à faible excentricité 26310.10 HIP 26241, une binaire à forte excentricité 26410.11 Impression 3D de la période d’une binaire spectroscopique26610.12 Bibliographie 27011 Mesurer des filtres, des fentes et autres... . . . . . . . . . . . . . 27311.1 AVERTISSEMENT : Précautions à prendre ! 27411.2 Fabriquer son banc test de filtres 27511.3 Le Lab’Ex avec un Alpy 600 ou un Star’Ex ? 27611.4 Le module lumière 27811.5 Mesurer la bande passante d’un filtre 27911.6 Cas pratique avec 3 filtres SHO à bandes étroites 28111.7 Mesurer une source de lumière 28411.8 La signature spectrale d’un liquide 28611.9 Mesurer la largeur d’une fente 28811.10 Bibliographie 291