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IntroductionIntroductionà la à la SpectroscopieSpectroscopie

Olivier [email protected]

---12 novembre 2010

-- RCE, Paris --

Au “menu”...

• Débuter en spectroscopie(un peu d'histoire)

• Equipement

• Pédagogie

• Projets Pro/Am

Lumière et Couleurs

➢Isaac Newton (1642-1726)➢Un pionier➢1670: prisme➢Fente circulaire de 6mm: λ/∆λ ~10 !

La lumière est une onde...

➢Thomas Young (1773-1829)➢Interprétation ondulatoire de la lumière (1801)➢Réseau de 20 traits/mm !

Spectre électromagnétique

Spectre solaire

➢William Wollaston (1766-1828)➢~150 ans après Newton !➢Premières observationd de raies sombres (1802)➢Démontra l'importance de la qualité de la fente

➢Joseph Fraunhofer (1787-1826)➢Fabriquant de verre de qualité➢Raies: A, B (Hα), C, D (sodium doublet)... H, K (Calcium)➢Catalogue ~600 raies en 1814➢A aussi observé des planètes et quelques étoiles !

➢Edmon Becquerel (1820-1891)➢Première photographie du spectre solaire (13 juin 1842)

11/11/10 (c) 2006 - Shelyak Instruments 8

Sodium dans tout ses états !

(c) C. Buil / Benoit Minster

Sirius

Soleil

Lampadaire

Allumette

Sel

Cornichon !

Analyse chimique & spectroscopie➢Léon Foucault (1819-1868)

➢Comparaison de spectres terrestres et du spectre solaire (raies du sodium, 1849)

➢Gustav Kirchhoff➢Fit l'expérience du sel en parallèle et publia en 1859 que le sodium pouvait exister dans l'atmosphère solaire !➢Un résultat théorique clef: les lois de Kirchhoff ...

➢Robert Bunsen (1811-1899)➢Université d'Heidelberg comme Kirchhoff➢Ensemble, ils publièrent en 1860 un papier sur “l'analyse chimique par l'observation spectroscopique”, puis en 1861-1863 l'analyse de divers élémentchimiques et leurs travauxsur le spectre solaire

➢...la spectroscopie était née ...

Un gaz à pression élevé, un liquide ou un solide, s'ils sont chauffés, émettent un rayonnement continu qui contient toutes les couleurs;

Un gaz à basse pression et basse température, s'il est situé entre une source de rayonnement continu et un observateur, absorbe certaines couleurs (spectre de raies en absorption).

Un gaz chaud à basse pression émet un rayonnement uniquement pour certaines couleurs (spectre de raies en émission)

1

2

3

Lois de Kirchhoff1

2

3

Informations du profile de Planck

➢Loi de Stefan :Intensité (sous la courbe) = Constante * T4

➢Loi de Wien :λ max * Temperature = Constante

(2900 µm.K)

==>Temperature = Couleur !!!

Domaine visible= 400-700nm (4000A-7000A)

Profile de corps noir

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

Profil de Plank

Longueur d'onde (angstroms)

Inte

nsité

12.000 K10.000 K

8.000 K5.000 K

Le plus simple des spectroscopes

Rayon convergent du télescope

Ordre Zéro

Premier ordre->spectre !

Plusieurs façon d'utiliser

Comme un filtre(ex: devant une webcam)

Devant l'objectifComme un filtre(ex: devant APN ou CCD)

(R.Leadbeater)

Pose de 30sec avec APN

Sirius Spectrum – Buthier workshop 2007

Mesure de températures

Altair (A7V): 10500K

Albireo B (B8Ve): 22000KRegulus (B7V): 30000K

Antares (M1.5Iab-b): 3000K

Albireo A (K3II+...): 5000K

Le visible: une petite fenêtre

Source: Getting the measure of the stars (WA Cooper & EN Walker)




1

2

3

Lois de Kirchhoff1

2

3

Raies d'absorption ?

Sirius Spectrum – Buthier workshop 2007


Spectre solaire (basse résolution)H

/ K

(Cal

cium

) Hδ

Hβ

Hα

Dou

blet

du S

odiu

m

Trip

let

du M

agné

sium

Olivier Thizy – Janvier 2007Lhires III – 300tt/mm; Digital Rebel / EOS300DPic du Midi (ie: no atmospheric lines!)

Raies d'absorbtion

D'après: http://ircamera.as.arizona.edu/astr_250/Lectures/Lecture_14.htm

• La photosphère est en réalité très fine

• Les « ailes » des raies spectrales viennent de régions plus profondes que le « coeur »

http://ircamera.as.arizona.edu/astr_250/Lectures/Lecture_14.htm

Raies d'absorbtion/émission

∆Energy = h * ν = h *c / λ

Table des éléments

Nouveaux éléments ?




1

2

3

Lois de Kirchhoff1

2

3

Nébuleuses planétaires

Spectre de M57 (C. Buil)

Raies interditesNommées 'nebulium' !

Nébuleuse planétaire

M57 spectrum (C. Buil; LISA, C9, QSI583, 70min)

Nebula continuous spectrum

Emission lines (nebula)

Central star spectrum


Nébuleuses planétairesNGC6826 - blink nebula

NGC7662 - blue snow ball

AstroQueyras T62 f/15, Lhires III (300tt/mm), ST10e / Olivier Thizy & Jose Ribeiro

Raies d'émission

• Lampe de calibration (ex: néon interne du spectrographe Lhires III)

Lois de Kirchhoff




1

2

3

1

2

3

La classification des étoiles➢Quelques précurseurs: Lewis Rutherfurd (1816-1892), Angelo Secchi (1818-1878), William Huggins (1824-1910), Hermann Carl Vogel (1841-1907)➢Un travail essentiel: le catalogue Henry Drapper à Harvard

➢Edward Pickering (1846-1919) et son “harem”; fonda l'AAVSO➢Williama Fleming (1857-1911): type A...Q; 26000 spectres➢Antonia Maury (1866-1952): typeI...XX; première à mettre le type O devant le type A (classification Flemming)➢Annie Cannon (1863-1941)

➢Types: OBAFGKM➢Sous-division décimale (B0..9)➢~400000 spectres catalogués !!!

A.J. Cannon


Classification spectrale (basse résolution)

C8 – Lhires III (150tt/mm) – EOS 300D – 30 sec – no computer !

A0

Be

M5

De ABC... à OBAFGKM !

Spectra by Benjamin Mauclaire; 12'' telescope + Lhires III (150 gr/mm) + KAF1600 camera

Intensité relative par élément

Température de plus en plus froide


Classification spectrale (haute résolution)

Sequence around Calcium triplet, near Infra-Red.© Christian Buil

Oh-Be-A-Fine-Girl-Kiss-Me

Lhires III& digital SLR


Classification spectrale (haute résolution)

Raie H-alpha, O.Thizy: Lhires III (2400 traits/mm) + ST7E

La classification des étoiles➢1890: catalogue Drapper de spectres stellaires➢1911-1915: analyse de 225300 étoiles par A.J. Cannon➢1918-1924: publications du catalogue HD (Henry Drapper)➢1949: HDE: extension du catalogue HD➢1943: “Atlas of Stellar Spectra” par William Morgan, Philip Keenan, & Edith Kellman [MKK]

➢Type spectral du catalogue HD (Température): OBAFGKM➢Notion de Classe de Luminosité I...V

L'équipe (féminine!) de E. Pickering en 1913.

Les débuts de l'Astrophysique➢Ejnar Hertzsprung (1873-1967) & Henry Russell (1877-1957)➢Diagramme Couleur/Luminosité (première publication en 1911)

Effet Doppler-Fizeau

=c

Expansion of galaxies=

red shift


En résumé...

La lumière des étoiles nous renseigne sur :• leur température [profile global]• leur composition et les conditions physiques

d'excitation ou d'ionisation (ie temperature) [raies visibles]

• Leur compisition chimique quantitative (abondance), la pression, la gravité [intensité et forme des raies]

• mouvements [effet Doppler-Fizeau]● vitesse radiale● rotation● expension

Comment ça marche ?

➢La dispersion est faite par un prisme ou un réseau➢La fente est un élément clef pour la haute résolution➢Littrow: collimateur = objectif➢Echelle: utilisation à des ordres élevés + “cross disperser”


Equipment

Discover spectroscopy:The Star Analyser is the simplier spectroscope, ideal to get startedin this field with limited budget

Share your passion:Lhires Lite visual spectroscope for public outreach

Study:Lhires III (high resolution) and LISA (low resolution) are exploration tool allowing pro/am collcollaboration

Professional:eShel is an off-the-shelf optical fibre fed echelle spectrograph for higher RV accuracy and productive spectroscopy


Spectral Domain

ResolvingPower R

Resolution(500nm)

Slit RV Limit mag

eShel 430-710nm >10000 0.5 A 50µmF/6

50 m/s ~10

Lhires III Visual(window of

~10nm)

~17000with2400

gr/mmgrating

0.3 A 15-35µmF/10

~3 km/s

~9

LISA 390nm-1µm

600-1000 5 A 15-35µmF/5

n/a ~16

Star Analyser Visual ~100 50 A No slit n/a ~15


Applications

eShel High level educationBright stars line profile (Be stars, pulsations...)Abundances, classificationSpectroscopic binaries & exoplanets

Lhires III (self) education with low / medium / high resolution modesStellar classificationBright stars line profile (Be stars, eps Aur, Wolf-Rayet, Slow Pulsating B stars, Herbig Ae/Be...)

LISA Education: lamp, classification, nebulae, galaxie redshift...Faint variable stars: cataclysmics, novae, mira...Comets classificationAsteroids classification...

Star Analyser Education: star temperature & classificationNovaeFaint variable starsSupernovae


En pratique sur le terrain...

Sur le télescope(autoguidage)

Salle de contrôle-spectrographe-calibration-PC & observateur :-)

De l'image au profil

Spectre d'objet diffus (ex: Soleil)

Fente

Spectre stellaire 2D

Profil spectral

Profil spectral calibré

Projets pédagogiques


Spectre solaire en visuel

(c) Robin Leadbeater


Spectro-Héliographie


Néon


Thorium-Argon


Hydrogène


Hélium


Iode


Azote


Lampe inconnue


Lampe au sodium


La pollution lumineuse...pas toujours humaine !

C9 + LISA + QSI583 (C. Buil)Some emission from NGC7000 nebula!


Spectres de végétation !!!

« Red Edge » / C. Buil ; C9 + LISA (IR mode) + QSI583


Planètes – bandes de Méthane

Jim Edlin – Lhires III (150gr/mm) / C14 / ST10


Planètes – bandes de Méthane

C. Buil – Lhires III (1200gr/mm) – Digital SLR, near IR region (Calcium Triplet)

Bandes de méthane :-sur Saturne-pas sur les anneaux !


Rotation de planètes

Saturn:Shift = 7 pixels = 8,8 km/sPeriod of 10,6 h >> R = 107511 km

T 2= 42G m1m2

a3

=c


Rotation de Saturne


Rotation stellaire: v.sin(i)

v.sin(i) = 330km/s

v.sin(i) = 0km/s


Rotation stellaire: v.sin(i)


Vitesses radiales

SAO104807, Altair, & SAO112958

=c


Binaires spectroscopiques

Spectrogrammes de Beta Auriga (30 spectres sur 2006/2007) / O. Thizy et al.



Spectrogrammes de Beta Auriga (30 spectres sur 2006/2007) / O. Thizy et al.



Beta Aurigae – O. Thizy / P. Noyrez

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0Phase

150

100

50

50

100Vitesse Radiale

Paramètres orbitaux Cette étude (VSpec) Cette étude (PeakFit) Nordström (1994)K1 (km.s-1) 106 ± 3 108 ± 3 107.75 ± 0.40K2 (km.s-1) 108 ± 3 110 ± 3 111.25 ± 0.40

M1/M2 0.98 ± 0.06 0.98 ± 0.06 0.97 ± 0.01Vγ (km.s-1) -20 ± 2 -21 ± 2 -17.0 ± 0.4

a.sin(i) (Rsol) 16.7 ± 0.5 17.1 ± 0.6 17.13 ± 0.04m1.sin3(i) (Msol) 2.02 ± 0.06 2.15 ± 0.06 2.19 ± 0.02m2.sin3(i) (Msol) 1.99 ± 0.06 2.11 ± 0.06 2.12 ± 0.02


Nébuleuses planétaires

Hα

[NII]

Spectre de NGC2392, C11+Lhires III (600tt/mm) + Atik16(c) Robin Leadbeater/O.Thizy – stage spectro OHP 2007


Nébuleuses diffuses

[OIII]5007

[OIII]4959

Hα6563

[NII]6583

[NII]6548

Spectre de M42 - Lhires III (150tt/mm) + KAF1600 / Acquisition: Benjamin Mauclaire / Traitement: Olivier ThizyCf: http://bmauclaire.free.fr/astronomie/spectro/atlas/nd/m42/Image de M42: Olivier Garde & Adrien Viciana (CALA)

Hβ4861

HeI5876

HeI6678

Te=10933±174 K

Ne=2537±61 e-/cm3


Raies interstellaires

P Cygni spectrum - Jean-Noël Terry – Lhires III (2400 gr/mm)

Na (interstellaire)

Na (enveloppe)


Mesure précises de températures

Measuring Equivalent Width of HeI [λ4471] & HeII [λ4541] ==> precise spectral type

HD 47839: HeI [λ4471] = 0.799 et HeII [λ4541] = 0.533 ==> type = O8

eShel Shelyak Instruments echelle spectrograph (R~11000)T0.28m f/6.3; Observatoire de Haute Provence – 2009, february 27

HeI

[λ44

71]

HeI

I [λ4

541]


Etoiles particulières (Ap...)

eShel + C11


Galaxies: M31

C9 / LISA / QSI583 (C. Buil)

•Missing some blue part (aged stars in central part of M31)•Halpha is less visible


Galaxies: M31


•Broader lines (M31 rotation ?)•Doppler shift ~-280km/s (M31 is moving toward us)


Décalage vers le rouge des galaxies


∆λ = 108 A==> z=0.016


Décalage vers le rouge des galaxies


z=0.026

z=0.028


Projets Pro/Am


Comètes


Classification des astéroïdes


Exoplanètes !

Christian Buil


Exoplanètes: tau Boo

The CCF is computed by using the spectral range 4400-6445 A (the Halpha line is excluded).The total velocity Doppler spectral amplitude shift represents only 1/25th part of the spectrograph resolution. The dataare collected between March 19-March 29, 2009.

Christian Buil


Exoplanètes: tau Boo

The final phase plot of Tau Boo (HD120136). The star is observed during 9 nights. The Doppler signature of planetary compagnon is clearly visible (the velocity error bar is estimated to +/-100 m/s).

Christian Buil


Exoplanètes: 4 mesurées (eShel)

Christian Buil / Valérie Desnoux / Michel Pujol / Olivier Thizy


Etoiles variables: un terrain de jeu!!!

Source: Getting the measure of the stars (WA Cooper & EN Walker)


Novae

2500 km/s

50 Å

V1280 Sco

RS Oph

V4743 Sgr


Novae

Source: Jim Edlin; Lhires III (1200 gr/mm) + ST10


Etoiles symbiotiques: V407 Cyg

Note: another star spectrum is closed to V407 Cyg spectrum...


Etoiles symbiotiques: CI Cyg


RR Lyrae: pulsations en direct !

C.Buil


BW Vul: au coeur d'un étoile !!!

Spectrogram of HeI/Sodium doublet of BW Vul(5min expoure, 60cm f/3.5 telescope at pic du Midi)

0.0

1.0

phas

e

587.562He I

588.995Na

589.592Na

λ (nm)


Etoiles Herbig Ae/Be

C.Buil


P Cygni


Wolf-Rayet

O.Thizy


WR140

Jose Ribeiro


Périastre de WR140 (2009)

Rémy Fahed et al.


Périastre de WR140 (2009)

Rémy Fahed et al.: CIII 5696 flat top line as function of phase / excess emission (right)


Eclipse de epsilon Aurigae

Robin Leadbeater

• Eclipse every 27 years !!!• ~15 amateurs contributing• Over 400 spectra to date (130 KI alone!)

F typestar ?~7000K2.7 Msol ?

B star ?~15000K5.9 Msol

Disk~500K


epsilon Aurigae : KI 7699 line

Robin Leadbeater (Lhires III), Bob Stencel• New absorption line appearing !


epsilon Aurigae : KI 7699 line

Robin Leadbeater, Bob Stencel• Disk structures in « rings » ?


Etoiles Be

Hα

Pashen lines !!!


Etoiles Be

zet Tau

23 Tau

β Lyr – évolution Hα


Exemple de cibles Be: υ Sgr


Cible CoRoT: 64 Ser


Base de données BeSS

URL: http://basebe.obspm.fr


Catalogue BeSS

● Plenty of BRIGHT stars to work on !!!F. Cochard / V. Desnoux


BeSS

● >11000 amateur spectra from over 30 different users(Sep 2010)


Equipement utilisé

TypeLhires III 42Pro 13Other 6eShel 5Total Résultat 66

● Télescope amateur de 12cm à 62cm● Principalement des Lhires III● Quelques spectrographes echelle à fibre optique eShel


ARASBeAm: aide à l'observation

http://arasbeam.free.frhttp://arasbeam.free.fr


ARAS BeAm – liste « to do »


ArasBeAm: détection de sursauts

10+ sursauts découverts


delta Sco : périastre de 2011 !!!

•Etoile Be identifée comme telle en 1993•Sursaut en 2000 avec une augmentation rapide de luminosité



Ernst Pollmann Tango et al. 2009



• La date exacte du périastre est inconnue (vers le début July 2011)• La Vitesse Radiale va changer brusquement quelques semaines avant• Le suivi de H alpha est clef• Le suivi de He I 6678 est également utile

==> des spectroscopistes amateurs sont demandés !!!


En résumé...• La spectroscopie révèle les détails cachés des étoiles• Les équipements sont disponibles dans le commerce• Les projets pédagogiques sont nombreux• La collaboration Pro/Am est + en + active avec de + en + d'amateurs qui contribuent avec de + en + de demandes professionnelles

==> rejoignez nous !!!

Quelques livres...

...et en anglais

Plus sur www.Shelyak.com (Fond documentaire / bibliographie)

http://www.Shelyak.com/

Quelques liens utiles

Groupe ARAS: http://www.astrosurf.com/aras/

Liste Spectro-L: http://groups.yahoo.com/group/spectro-l/

SAS: http://www.socastrosci.org/

CDS Strasbourg http://cdsweb.u-strasbg.fr/

ADS (articles) http://adsabs.harvard.edu/abstract_service.html

Shelyak Instruments http://www.shelyak.com/

Venez nous voir sur le stand N° 30:

WWW.SHELYAK.COM

MERCI !!!

Shelyak InstrumentsTél.: +33.476.41.36.81http://www.shelyak.comEmail: [email protected]

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mailto:[email protected]

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