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Atelier: Initiez vos élèves à la spectroscopie avec l'étoile Castor des Gémeaux

 

L’arrivée sur le marché du réseau Star-Analyser, vendu 115 € , qui se fixe comme un filtre usuel derrière une lunette ou un télescope, permet la découverte de la spectroscopie des étoiles. Plus besoin de bricolages ou de montages subtils ! Avec l’aide de Planète-Sciences, l’atelier d’astronomie du lycée Gaston Bachelard de Chelles s’est initié à la « spectro » durant l'année scolaire 2009, avec l’espoir de pouvoir réaliser des projets d’astrophysique dans un proche avenir.

 

Le matériel

Le réseau Star-Analyser permet de réaliser une décomposition analogue de la lumière des étoiles, ou des lampadaires du proche environnement !

Le Star Analyser 100 est un réseau de diffraction à transmission de 100 traits par millimètre, d'une très haute efficacité de transmission, blazé au premier ordre. Il est fixé sur une bague standard de 31.75 mm de diamètre avec un pas de vis compatible avec la plupart des télescopes et accessoires du marché.

Le Star Analyser 100 a été conçu pour produire le plus facilement possible des spectres basse résolution d'objets du ciel. Il convient pour de nombreux type d'appareils photographique (caméras CCD, webcam, Appareils Photographiques Numériques...) et peut s'ajouter à votre série de filtres astronomiques. Il est également possible de l'utiliser en visuel.

Le filtre réseau Star-Analyser qu’il suffit de visser sur une bague d’oculaire comme un filtre classique. La bague est fixé sur la bague en T de l’appareil photo numérique. La spectroscopie est alors accessible sans efforts.

Nous allons voir comment procéder.

 

Première étape : obtenir l’image du spectre d’une étoile

Les images ont été réalisées au foyer de notre lunette, avec le réseau fixé sur la bague d’adaptation de l’appareil photo numérique (APN), un reflex Canon EOS300D.

Le réseau décompose la lumière dans une direction. De façon à mieux apercevoir les raies éventuelles, il faut aussi étaler l’image de l’étoile dans une direction perpendiculaire pour obtenir une image semblable au spectre en couleurs.

En haut, le spectre de Régulus tel qu’il apparaît à la prise de vue. En dessous est placé le même spectre obtenu après traitement logiciel avec Iris, avant sa transformation en graphique. Les deux raies Ηγ, Ηβ de l’hydrogène apparaissent dans le bleu alors que la raie Hα se devine dans le rouge lointain. A gauche de l’image apparaît le filé de l’étoile Régulus, dans sa partie non déviée par le réseau.

Comment faire ? La monture doit être mise en station. Le réseau doit être pivoté de telle sorte que l’étalement du spectre se fasse dans le sens des ascensions droites, c'est-à-dire horizontal, avec l’appareil photo horizontal en visant une étoile au Sud. On réalise alors une pose de quelques secondes, en agissant en déclinaison avec vitesse lente sur la raquette de commande du moteur durant toute la pose, pour que l’étoile « file » perpendiculairement à son spectre. Une orientation approximative suffit, car elle sera affinée par traitement logiciel. Cette configuration ainsi obtenue, le réseau et l’appareil photo restent fixés dans cette position.

On pointe alors l’étoile qu’on veut photographier. Il faut être particulièrement attentif à l’exposition choisie : les capteurs étant filtrés Rouges, Verts et Bleus, il faut vérifier que l’exposition est suffisante sans qu’aucune des trois couleurs ne soit saturée aux 255 pas codeurs fatidiques. En cas de surexposition, les raies spectrales ne seront plus visibles. Prendre le temps d’effectuer cette vérification sur un logiciel de traitement d’images comme Gimp ou Photoshop donnera cette garantie.

Quand tout est OK, avec un temps de pose déterminé associé à une sensibilité adéquate entre 100 et 800 iso , on réalise une dizaine de poses. Dans le but d’effectuer des mesures quantitatives, les images seront au format brut « RAW », des images d’offset, darks et flats pourront éventuellement être prises dans le but d’effectuer un prétraitement standard. Cette démarche est inutile si on cherche uniquement à obtenir des raies pour les identifier, et les utiliser dans un projet.

 

Deuxième étape : rendre l’image du spectre prête pour l’analyse

Le logiciel Iris permet le prétraitement, le recalage et l’addition des images prises avec un APN. L’image finale est au format fit(format standard en astronomie), les longueurs d’ondes bleues vers la gauche de l’image, et donc les longueurs d’ondes rouges vers la droite. Iris permet aussi l’utilisation de fonctions spécifiques à la spectroscopie : « tilt » et « slant » pour avoir un spectre horizontal avec des raies verticales . L’image est de plus réduite à une unique dimension car seule l’intensité lumineuse pour une longueur d’onde donnée importe (Figure 3 : le spectre en noir et blanc).

Le logiciel Visualspec transforme le spectre à une dimension en graphique et permet par la suite toutes manipulations utiles pour dévoiler quelques secrets des étoiles… L’étoile Régulus présente deux raies évidentes dans le bleu et une troisième suspectée dans le rouge : ce sont clairement les raies de Balmer de l’hydrogène Hα, Ηβ, Ηγ présentes dans le Soleil et dans certaines autres étoiles. La raie Hα est dans le rouge à 656,3 nanomètres , Ηβ à 486,1 nm et Ηγ à 434 nm sont dans le bleu. Les raies Ηβ et Ηγ étant reconnues, elles vont permettre d’étalonner tout spectre d’étoile pris dans des conditions identiques en matériel à celles de Régulus. Par comparaison, on peut identifier d’autres raies présentes sur d’autres étoiles d’après leurs longueurs d’onde.  

 

 

Troisième étape : un projet possible à réaliser : « quelle est la température en surface de l’étoile Castor? »

Un corps noir est un objet absorbant tout rayonnement lumineux sans le réfléchir. Les étoiles rayonnent comme un « corps noir », en particulier avec une couleur (ou longueur d’onde) dominante et une intensité relative spécifique à cette longueur d’onde : l’intensité donnée en fonction de la longueur d’onde forme la courbe de Planck. La longueur d’onde d’un rayonnement est caractéristique de sa température, comme un fer passant du rouge au orange puis jaune et blanc quand on le chauffe. Déterminer la couleur dominante d’une étoile permet donc aussi de déterminer sa température, au moins pour les rayonnements s’échappant de la surface de l’étoile.

L’appareil photo numérique étant principalement sensible dans le rayonnement visible, la courbe de Planck obtenue expérimentalement pour des étoiles chaudes comme Régulus ou Castor aura l’allure du seul tracé en rouge. 

Sur ce graphique sont représentées les courbes de Planck d’étoiles de températures allant de 3000 à 24000 degrés Kelvin. Ces courbes donnent l’intensité rayonnée en fonction de la longueur d’onde. On remarque que les étoiles les plus chaudes ont un rayonnement plus intense et que celui-ci est maximum dans les courtes longueurs d’ondes.

Le principal écueil pour atteindre cet objectif est que le capteur de l’appareil photo ne transcrit pas exactement en image numérique l’intensité lumineuse reçue de l’étoile longueur d’onde par longueur d’onde . Il faut préalablement connaître la réponse effective de l’APN à une intensité de longueur d’onde donnée. Le calcul se fait avec Visualspec : le type spectral de Régulus est connu et fait partie de la bibliothèque de spectres du logiciel.

En divisant pixel par pixel le spectre normalisé de Régulus obtenu avec notre matériel par le spectre absolu de la bibliothèque, le résultat est, à un facteur près, le coefficient de transmission de l’APN, longueur d’onde par longueur d’onde.

 Ces trois copies d’écran sous Visualspec présentent  les deux séries de Régulus concernées en haut, le résultat brut de la division de la série de Régulus instrumental par son spectre réel au centre, et en bas, la courbe régulière ajustant au mieux celle du centre, sans prise en compte des échancrures provoquées par les raies spectrales d’absorption de l’étoile Régulus.

Cette courbe doit être stockée pour être utilisée à l’avenir pour le calcul d’autres courbes de luminosité à partir du même appareil. On peut maintenant établir la portion de courbe de Planck, par exemple de l’étoile Castor qu’on a aussi photographiée, pour les longueurs d’onde du rayonnement visible entre 420nm et 680 nm. Pour cela, on divise la série du spectre de Castor par la série de réponse de l’APN, ces deux séries devant être normalisées. La courbe obtenue est la portion de la courbe de Planck de l’étoile Castor dans les rayonnements visibles. Le logiciel Visualspec permet d’essayer de superposer des courbes de Planck de températures données jusqu’à obtenir celle s’approchant au mieux de celle de Castor. Ici, on a obtenu que la courbe de Planck de température T=11000 degrés Kelvin était la plus proche (Figure 8).  

  En vert est représentée la courbe de Planck obtenue de l’étoile Castor après division par la réponse instrumentale obtenue sur la figure7. Les raies d’absorption Hα, Ηβ, Ηγ sont bien visibles, et à leur place étalonnée en longueur d’onde. En rouge, un ajustement possible proposé par le logiciel avec la courbe de Planck d’une étoile quelconque de température égale à 11000°K.

 

Conclusion

On obtient finalement que l’étoile Castor a une température de surface de 11000°K (ce qui est un peu excessif, mais c’est un début), Castor est donc de type spectral A. Les étoiles de ce type ont les raies de Balmer Hα, Ηβ, Ηγ les plus apparentes comme on l’avait déjà remarqué sur les images brutes du spectre de cette étoile.

En cette année initiatique, seule l’étape 1 d’acquisition des images de spectres a pu être réalisée avec les élèves car le projet principal était le calcul de la distance de l’amas ouvert M37 des Gémeaux à l’Observatoire de Haute Provence (OHP) par comparaison des rayonnements bleus et visuels, presque de la spectroscopie. La diffusion des rayonnements bleus par l’humidité du ciel n’a permis qu’une précision de 50% pour ce calcul, avec comme résultat 741 parsecs.

Les essais réalisés à l’OHP en spectroscopie avec le Star-Analyser, et présentés dans cet article, sont suffisamment encourageants pour lancer un projet spectroscopie en 2008-2009, voire pour les années suivantes…  

Les meilleurs spectres obtenus durant l’année. Peut-être le début d’un bestiaire ?

  

 

Télécharger les données

 Spectres de castor et regulus.

Pour mener vos propres investigations, voici quelques spectres d'autres étoiles.

 

 

Pour aller plus loin

Lire l'article Un atelier astro de lycée en observatoire professionnel des Cahiers Clairaut de l'automne 2009, rédigé par Gilles Dodray, lycée Gaston Bachelard, Chelles.

 

Adresses utiles

Téléchargement du logiciel Iris avec tutorial: http://www.astrosurf.com/~buil/iris/iris.htm

Téléchargement du logiciel Visualspec avec tutorial : http://astrosurf.com/vdesnoux/

Site de l'entreprise Shelyak développant les spectrographes Star-Analyser et Lhires : http://www.shelyak.com/