avec IRIS 20161201 Ph M Observatoire de Lyon

avec IRIS 2016/12/01 Ph. M – Observatoire de Lyon – 2015 -16 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques

Introduction L’analyse précise des longueurs d’onde des raies d’un spectre solaire ou stellaire permet de découvrir quels sont les éléments qui sont contenus dans leurs atmosphères. Et ceci quelle que soit la distance à laquelle se trouve l’objet, quelques millions de kilomètres pour le Soleil, des milliards de milliards pour les objets lointains. Même avec des spectres de faible résolution, il est possible d’identifier au moins les éléments les plus abondants. C’est le propos de ce Travail qui permet de retrouver quelques éléments de la Table de Mendéleïev dans des étoiles aussi différents que le Soleil, Procyon, Castor ou Bételgeuse. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 2

Documents Les spectres ont été pris au spectrographe Lhires III de la Formation Continue - dans la même soirée, - sans changer les réglages de l’appareil. L’étalonnage du Neon est utilisé pour tous les spectres. Le réseau du Spectrographe est de 300 traits / mm (ou 2400) La résolution est donc moyenne, mais le spectre couvre une bonne partie de la région visible. Les images sont données par une camera CCD qui donne des images noir et blanc de 2047 x 2047 pixels. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 3

Principe du spectrographe objectif Images de la fente Faisceau du télescope ouvert à f/D bleu image de l'étoile récepteur : plaque photo détecteur oeil fente collimateur appareil dispersif prisme ou réseau rouge Réglages : fente collimateur disperseur objectif récepteur image 2016/12/01 au foyer de l’instrument faisceau de lumière parallèle dispersion orthogonale à la fente images de la fente sur le récepteur orientation par rapport à la fente netteté sur la fente Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 4

Principe du spectrographe Pourquoi une fente ? L’image d’une étoile est ponctuelle. La dispersion spectrale de ce point lumineux devrait suffire. Une deuxième étoile dans le sens de la dispersion peut se superposer au 1 er spectre. On peut tourner le spectrographe. Mais il peut y avoir beaucoup d’étoiles dans le champ. L’image d’une étoile est élargie par l’agitation atmosphérique. Sur un objet étendue les spectres de chaque partie se mélangeraient. La fente permet de couvrir une partie de l’image. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 5

Principe du spectrographe L’optique sans disperseur Plan focal image du ciel Objectif (lunette ou télescope) donne une image du ciel 2016/12/01 Faisceaux parallèles Plan image Lentille collimatrice crée un faisceau de lumière parallèle Lentille objectif reforme une image Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 6

Principe du spectrographe disperseur collimateur objectif On met entre collimateur et objectif un appareil disperseur (prisme ou réseau). Qui donne un spectre de chaque objet. Dans le sens de la dispersion, il peut y avoir superposition. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 7

Principe du spectrographe disperseur collimateur objectif Pour isoler les objets et limiter la largeur de la tache stellaire, on place une fente au plan focal de l’instrument. Seuls restent les spectres des objets sur la fente. Si l’objet est étendu (planète, Lune, nébuleuse), on obtient le spectre le long d’une coupe suivant la fente). 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 8

Profil de raies (PSF) En optique, un point objet donne une image toujours dégradée par la diffraction sur les bords de la pupille. Une étoile ponctuelle devient une « tache d’Airy » . La forme de cette tache s’appelle la PSF (Point Source Function) Caractérisée par - sa position - sa largeur à mi-hauteur En spectrographie, ceci s’applique aux raies spectrales dans le sens de la dispersion, en émission ou absorption. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 9

Profil de raies (PSF) La forme de cette tache s’appelle la PSF (Point Source Function) L’analyse montre que la forme de la répartition de la lumière a la forme d’une gaussienne. m position s largeur Elle est caractérisée par sa largeur à mi-hauteur : x Dl = étroite large Largeur de fente raies fines, plus de détail raies larges, pouvant se recouvrir, mais plus de lumière Voir la gaussienne sous Geogebra. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 10

Mesures et ajustement (PSF) En spectrographie, la diffraction agit suivant le sens de la dispersion. L’image de la fente dans le sens transversal aura la forme d’une gaussienne. Raie : Image spectrale Profil gaussien Profil d’ajustement La mesure en divers points de l’intensité de la tache, permet de calculer avec précision la position du centre et la largeur à mi-hauteur. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 11

T 6 – Etalonnage : mesures et ajustement (PSF) IRIS possède une fonction l_pos affectée à la position des raies : Rectangle de sélection Syntaxe : l_pos [flag] [largeur] • flag=0 -> raie en absorption • flag=1 -> raie en émission • largeur : nombre de pixels pour le calcul ► Vérifier dans menu Visualisation que l’option « coupe » ne soit pas validée. Mais on peut aussi utiliser la commande PSF 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 12

T 6 – Etalonnage : mesures et ajustement (PSF) Commade PSF (bouton droit PSF). • pointeur souris dans le rectangle de sélection de la raie • bouton droit PSF). Position ajustée 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 13

Documents à traiter Au choix deux spectres à traiter : Spectre Type Nom fichier Étalonnage Ne Réseau Lune (spc sol. ) G 0 V d 38_30_lune. fit d 39_20_neon. fit 300 Procyon F 5 IV d 36_60_procyon. fit d 39_20_neon. fit 300 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 14

Documents de travail Et des documents : • Une image du spectre de raies en émission du Néon, avec les longueurs d’onde (incluse dans le fichier Geogebra) • Une fiche sur le spectre et les raies solaires et identifications des éléments lambdas_solaires. pdf. Une table des éléments avec leurs principales raies catal_moore. xls. • Un fichier Geogebra de départ. • Le document pour suivre et faire le TD 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 15

Programme de travail Partie 1 - Préparation des images spectrales (Programme IRIS) Spectre stellaire et spectre d’étalonnage - Chargement et nettoyage des images (commande median 3) - Extraction de la zone spectrale (commande l_median) - Spectre d’étalonnage converti en logarithme - Sauvegarde (fichier fit et fichier jpg) - Construction du spectre profil et sauvegarde Partie 2 - Traitement des spectres (Geogebra) - Insertion des images spectrales (objet et étalonnage) - Etalonnage : repérage des raies Extraction de la zone spectrale mesure des positions des raies d’étalonnage ajustement polynomial pixels-longueurs d’onde - Mesures positions des raies stellaires, calcul des longueurs d’onde - Identifications - Spectres en profil de raie 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 16

Partie I Préparation des images spectrales Programme IRIS 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 17

Travail sous IRIS Le programme IRIS est initialement un traitement d’image de champ stellaire, adapté aux images et spectres astronomiques. Parmi l’ensemble des commandes, certaines sont construites pour la spectrographie. Pour une première approche du programme IRIS se servir de la notice IRISbases (fichier iris-dep. pdf) Dans le cadre de notre démarche, mesures de positions et calculs de longueurs d’onde, ne cherchant pas des intensités, le travail se trouve simplifié. Il n’y aura pas de correction de l’obscurité (offset d’image) et de champ plat (uniformisation de la sensibilité des pixels). Les commandes sont décrites dans la page : http: //www. astrosurf. com/buil/iris/commandes_iris. htm 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 18

Travail sous IRIS Ouvrir IRIS Un spectre d’objet demande le traitement de deux images : - le spectre objet (se présente comme une bande claire traversant l’image) - le spectre étalonnage correspondant (raies verticales du spectre du néon) Il est créé pour ces deux spectres une image spectrale correspondant à la petite bande du spectre de l’objet. Sous deux formes : - Image (bande spectrale de 20 pixels de haut) - profil de raies (tableau pixels / intensités) 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 19

Travail sous IRIS Chargement de l’image spectre de l’objet (extension « FIT » ). Etoile : d 36_060_procyon. fit ou Lune (Soleil) : d 38_030_lune. fit Régler les niveaux haut et bas de visualisation pour voir clairement le spectre. Ces changements n’affectent pas l’image, mais seulement leur aspect à l’écran. Faire apparaître la fenêtre « Commande » . 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 20

Travail sous IRIS Indications de positions Position du pointeur de la souris abscisse 2016/12/01 ordonnée intensité Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 21

Travail sous IRIS • Nettoyage des pixels bruyants Exécuter la commande median 3 1 Chaque pixel est comparé aux 8 autres pixels qui l’entourent. - si sa valeur est beaucoup plus grande (critère 0 ou 1) que la moyenne (ou médiane) des 8 pixels, on remplace sa valeur par cette moyenne (ou médiane) - sinon, il garde sa valeur • Médiane : valeur milieu d’un ensemble ordonné de valeurs E = {35, 33, 37, 41, 95, 34, 36, 41, 36} E = {33, 34, 35, 36, 37, 41, 95} 2016/12/01 Moyenne : 44. 2 Médiane : 36 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 22

Travail sous IRIS Extraction de la plage spectrale et uniformisation du spectre • Repérer l’ordonnée milieu de la plage à extraire : ym • Extraction et médiane de chaque colonne y 1 ym l_median y 1 y 2 où y 1 = ym - 20 et y 2 = ym + 20 Cette nouvelle image spectrale a - 20 pixels de haut - tous les pixels d’une même abscisse ont la même valeur : la médiane des pixels de la colonne de y 1 à y 2. Sauvegarder avec un nouveau nom personnalisé (fichier FIT). 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 23

Travail sous IRIS Création du spectre profil de raie Appliquer la commande l_plot La fenêtre du profil apparaît Elargir cette fenêtre au maximum et la placer sous le spectre image. Bien remarquer la correspondance des profils de raies avec l’image spectrale. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 24

Travail sous IRIS Sauvegarder les valeurs du profil dans un fichier avec le Type texte (. txt) Repérer approximativement la valeur du minimum Imin et du maximum Imax (ne pas tenir compte des valeurs des extrémités). 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 25

Travail sous IRIS Création de l’image spectrale pour le traitement Dans la fenêtre de Seuils de visualisation mettre « Imax » en seuil haut « Imin » en seuil bas. La dynamique visuelle de l’image est au mieux Sauvegarder sous forme de fichier jpg. Attention. Cette image perd ses valeurs d’origine, toutes les intensités étant ramenées de 0 à 255. (IFIT – IMIN) IJPG = ————— 255 (IMAX – IMIN) 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 26

Travail sous IRIS Idem sur le spectre d’étalonnage • Ouvrir le fichier d 39_020_neon. fit • Nettoyer le spectre • Extraire la même bande en ordonnée Opération supplémentaire : conversion en valeurs logarithmiques. Le néon possède des raies très intenses et très faibles. Dans l’étalonnage, pour utiliser toutes les raies, on change l’échelle des intensités en convertissant celles-ci par la fonction logarithme. L’échelle logarithmique transforme une échelle multiplicative en échelle linéaire. • Appliquer la commande Logarithme • Ajuster les niveaux haut (32767) et bas (12000). • Créer et sauver le spectre profil de raies sous forme de fichier jpg. • Créer et sauver le spectre profil de raies sous forme de fichier txt. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 27

Tracé de points x/y x / log(y) * 1000 La règle à calcul. Basée sur l’échelle logarithmique. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 28

Partie II Traitement des spectres Programme Geogebra 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 29

Aide Geogebra Consulter le document “Eléments de base dans Geo. Gebra” fichier d’initiation elements_geogebra. pdf pour les commandes de base. (http: //cral. univ-lyon 1. fr/labo/fc/cdroms/stages 14 -15/astrobase/ elements_geogebra. pdf) Fichiers du TD dans sur les postes informatiques : « Mes documents/Lycolabo/Docs » 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 30

Utilisation de Geogebra Convention d’écriture pour Geogebra : dans le document accompagnateur les textes en gras et police Arial sont des textes à écrire dans fenêtre de saisie ou apparaissent dans la fenêtre algèbre de l’application Geogebra. Exemple, positionnement d’un point A à l’abscisse xa et d’ordonnées 0 : A = (xa, 0) Aide Geogebra : voir le document “Eléments de base dans Geo. Gebra ” fichier d’initiation elements_geogebra. pdf pour les commandes de base. (http: //cral. univ-lyon 1. fr/labo/fc/astrogebra/elements_geogebra. pdf) Attention : Geogebra fait la distinction entre les majuscules et les minuscules. Les objets point Xpos = (4, 8) et donnée xpos = 12 sont deux objets distincts. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 31

Utilisation de Geogebra Déplacement des curseurs : la façon la plus commode pour faire varier la valeur d’un curseur est de le sélectionner à la souris (le rond du curseur devient plus gros et flou) et d’agir sur les touches flèches pour augmenter ou diminuer sa valeur. - touche CTRL appuyée, l’incrément du le curseur est dix fois plus grand - et la touche Majuscule (Shift), dix fois plus petit. Zoom : Pour utiliser le ZOOM de manière efficiente, il faut : - manier la molette de la souris en douceur pour ne pas perdre l'échelle de vision - se souvenir que l'endroit ou pointe la souris est le point qui reste fixe. Les valeurs qui apparaissent dans les images exemples ne sont là que comme exemple et non rien à voir avec le travail. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 32

Mise en route Ouvrir Geogebra et charger le fichier : ident_spectre 0. ggb. Il contient quelques objets que vous pouvez identifier. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 33

Mise en route Fenêtre Algèbre • Des valeurs logiques pour la visualisation de - l’images spectrale de l’objet, - l’image de l’étalonnage du néon, - l’image des identifications des raies du néon - xcurs un curseur et sa droite verticale xdte asservie pour mesurer les abscisses des raies (orange). - npix le nombre de pixels en abscisses - trois points C_1 et C_2 et C_4 pour positionner les images par leurs coins 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 34

Mise en route Fenêtre Graphique – le curseur horizontal xcurs pour la position des raies et sa droite verticale associée (en brun) – les boîtes de visualisation • Spectre (fspectre) pour le spectre objet • Etalonnage (fetal) pour le spectre étalonnage • Spectre Néon (fneon) pour les longueurs d’onde. – l’image spectrale du néon avec les longueurs d’onde. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 35

Mise en route Fenêtre Tableur Des cadres de cellules à remplir : Cadre étalonnage du néon (vert) Cellules A 4 à D 10 Cadre raies du spectre et identifications (bleu) Cellules A 14 à D 49 Cadre raies du spectre et identifications (jaune) Cellules E 2 à H 2048 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 36

Méthode et plan de travail On veut arriver à trouver les longueurs d’onde des raies d’absorption, signature de la présence des éléments de la classification de Mendéleïev, en fonction de leurs positions le long de la dispersion qui est ici horizontale. Il sera procédé par étapes : 1 - Insertion des images spectrales traitées et formatées sous IRIS. 2 - Identification des raies du Néon pour leur attribuer leur longueur d’onde 3 - Etablissement de la relation d’étalonnage par mesures des positions des raies repérées 4 - Mesure des raies spectrales et calcul des longueurs d’onde 5 - Identifications 6 - Spectres en profil de raie (s’il reste du temps) 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 37

1 – Insertion de l’image spectrale objet • Insérer le fichier image du spectre que vous avez traité. Voir elements_geogebra. pdf page 5 • Quitter le mode Insertion image en cliquant sur l’icône ou touche Esc. La version actuelle de Geogebra ajoute automatiquement un point à chacun des deux coins bas de l’image. Par défaut ce sont les premières lettres majuscules qui n’ont pas été encore affectées. Si l’image est le premier objet introduit ou créé, ce seront les points A et B. • Effacer ces deux points. • Dans l’onglet Position de l’image mettre les points déjà créés : dans Coin 1 : C_1 dans Coin 2 : C_2 dans Coin 4 : C_4 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 38

1 – Insertion de l’image spectrale objet Pour pouvoir cacher ou voir l’image du spectre, on met l’affichage de l’image spectrale sous condition d’affichage. On se sert de la “Boîte de sélection ” “Spectre ” qui est assujettie à la valeur logique “ fspectre ”. • Mettre dans l’onglet “ Avancé ” des Propriétés de l’image dans “ Condition pour afficher l’objet”, la valeur logique fspectre. • Maintenant en cochant ou décochant la boîte “ Spectre ” l’image apparaît ou disparaît. • Cacher limage du spectre à mesurer. Sauvegarder en donnant au fichier un nom personnalisé (extension ggb). 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 39

1 – Insertion de l’image spectrale du Néon • Insérer le fichier image de l’étalonnage construite sous le progamme IRIS. (Voir page 5 du document elements_geogebra. pdf) Bien quitter le mode Insertion image en cliquant sur l’icône ou touche Esc. On fait comme pour le spectre de l’étoile • Dans l’onglet Position de l’image mettre dans Coin 1 : C_1 dans Coin 2 : C_2 dans Coin 4 : C_4 • Affecter la valeur logique fetal pour la visualisation de cette image Sauvegarder (CTRL S) 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 40

2 – Identification des raies du Néon • Faire apparaître l’image d’identification des raies du néon Sur le spectre d’étalonnage : • Repérer les raies dont on connaît la longueur d’onde qui sont fines et visibles Eviter d’utiliser les raies - trop fortes qui sont larges, - les doubles - les trop faibles. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 41

3 - Etablissement de la relation d’étalonnage La dispersion d’un réseau est à peu près linéaire, c’est-à-dire qu’entre la position en pixels et les longueurs d’onde de l’image, il existe une relation de la forme y=ax+b x : position des raies (pixels) y : longueur d’onde à cette position a et b : deux coefficients à déterminer On mesure des positions de raies réparties sur l’ensemble du spectre et l’on cherche la meilleure droite On établi la relation d’étalonnage par une régression linéaire. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 42

3 - Etablissement de la relation d’étalonnage Hélas, c’est un peu plus compliqué, car l’optique n’est pas parfaite ; il y a des déformations (aberrations de sphéricités ou autres) et la dispersion est courbée. Ajustement par une courbe mieux adaptée : un polynôme d’un degré 2, 3 ou plus. Pour le spectrographe Lhires, une courbe du second degré (parabole) suffit. y = a x 2 + b x + c Créer la relation mathématique qui permet de passer d’un numéro de pixel (abscisses) à une longueur d’onde s’appelle étalonner le spectre en longueurs d’onde. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 43

3 - Mesures des raies d’étalonnage • Choisir sur toute l’étendue du spectre 6 ou 7 raies qui paraissent nettes. Reporter leurs longueurs d’onde dans les cellules B 4 à B 10. • Mesurer à l’aide du curseur xcurs et de sa droite xdte leurs positions avec soin et précision. • Utiliser le zoom pour faciliter la mesure. • Reporter les valeurs de xcurs dans les cellules correspondantes A 4 à A 10 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 44

3 - Etablissement de la relation d’étalonnage • Dans la partie tableur, sélectionner, cellules A 3 à B 10, les couples de mesures. • En faire la « Statistique à 2 variables » Points sélectionnés Statistiques à deux variables 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 45

3 - Etablissement de la relation d’étalonnage • Ajustement : Polynôme Degré 2 • Regarder les résidus de l’ajustement : • Choisir dans les Options / Arrondi : 10. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 46

3 - Etablissement de la relation d’étalonnage Etalonnage Corriger ou éliminer les points mal alignés (refaire l’ajustement). Coefficients du polynôme Longueur d’onde pour une position du curseur λ = a * xcurs^2 + b * xcurs + c 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 47

3 - Etablissement de la relation d’étalonnage On ne peut reprendre les coefficients qu’en les recopiant à la main. Pour éviter ceci, on va refaire l’ajustement en utilisant la commande : Ajust. Poly[ <Liste Points>, <Degré> ] 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 48

3 - Etablissement de la relation d’étalonnage Ajustement polynômial • Création de la liste de points : Sélectionner les cellules A 4 à B 10. • Créer la liste : - pointeur de la souris sur la sélection - menu du bouton droit - commande « Liste de points » liste 1 apparaît dans la fenêtre Algèbre. • Faire l’ajustement : Poletal = Ajust. Poly[liste 1, 2] • Pour avoir la longueur d’onde à la position xcurs : lambda = Poletal(xcurs) 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 49

3 – Précision de l’étalonnage La précision de l’étalonnage s’estime par les différences entre les longueurs d’onde de laboratoire et les valeurs données par le polynôme pour les mêmes positions. L’écart-type de ces différences sera le critère de précision. • Dans les cellules C 4 à C 10 calculer les longueurs d’onde données par le polynôme pour les valeurs A 4, A 5, . . . , A 10. Formule dans la cellule C 4 : = Poletal(A 4) • Appliquer aux autres cellules comme dans un tableur. • Dans les cellules D 4 à D 10 calculer les différences longueur d’onde calculée – longueur d’onde laboratoire Formule dans la cellule D 4 : = C 4 - B 4 • Et l’écart type de ces différences : Epol = Ecart. Type[ D 4: D 10 ] Sauvegarder (CTRL S). 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 50

4 - Mesure des raies et calcul des longueurs d’onde • Faire réapparaître le spectre de l’objet à mesurer et cacher le spectre d’étalonnage • Avec xcurs , pointer et mesurer avec précision les raies de l’objet, au moins les plus fortes et les inscrire dans la du tableur à partir de la cellule A 14. colonne A • Dans la colonne B du tableur appliquer le calcul de la longueur d’onde avec la relation trouvée précédemment. Dans la cellule B 14 : = Poletal(A 14) • Appliquer aux autres cellules comme dans un tableur. B 15, B 16, … Sauvegarder (CTRL S). 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 51

5 - Identifications Il reste à identifier quels éléments ont créé ces raies d’absorption. Nomenclature Les éléments sont désignés par les symboles de la Table de Mendéleïev Les astronomes se servent des symboles de la table de Mendeleïev pour noter les éléments, mais ils y ajoutent un chiffre romain qui indique le degré d’ionisation. I - élément neutre II - élément une fois ionisé III - élément deux fois ionisé etc. Exemples : Fe. I : fer neutre, Fe. II fer une fois ionisé, Fe. III fer deux fois ionisé HI hydrogène neutre, HII hydrogène ionisé : proton He. I hélium neutre, He. II hélium une fois ionisé. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 52

5 - Identifications Reste le travail principal, identifier quel élément a produit telle raie. Les bases de données nous donnent pour tous les éléments des milliers de raies et à chaque longueur d’onde mesuré il est possible d’associer de nombreux éléments. Le choix est difficile. Mais il est des critères qui simplifient la recherche. – plus un élément est abondant plus ses raies propres sont marquées – dans un élément, dans des conditions normales seules quelques raies principales fondamentales sont bien visibles Et pour les astrophysiciens, la classification spectrale donne les éléments les plus couramment visibles dans les atmosphères des étoiles. Remarque : il arrive souvent que plusieurs éléments ont des raies de longueurs d’onde très voisines. Avec des spectres à faible résolution, l’identification est toujours difficile sauf pour les éléments les plus communs. La présence de plusieurs raies d’un même multiplet d’un élément permet parfois de lever le doute. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 53

5 - Identifications Le Soleil étant une étoile banale, nous allons nous servir d’une table raccourcie des principales raies et leurs éléments identifiées dans le Soleil. Voir le document fourni : Couleurs du spectre visible et Principales raies solaires (Fichier : lambdas_solaires. pdf ) • dans la colonne C (C 14, C 15…) mettre la longuer d’onde la plus proche trouvée dans la table • dans la colonne D mettre le symbole de l’élément correspondant. Pour approfondir on utilisera la Table des raies astrophysique : catal_moore. xls Dans Mes Documents/Lycolabo/Docs 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 54

5 - Identifications Utilisation le catalogue de raies spectrale catal_moore. xls Ouvrir avec un tableur le fichier catal_moore. xls qui est un catalogue de raies spectrale plus spécialement d’intérêt astrophysique. - Dans la première feuille “Ensemble”, il y a toutes les raies et leurs éléments par longueurs d’onde croissante. - Dans la deuxième feuille “Astro Eléments”, les longueurs d’onde sont mises par éléments, lesquels sont classés par ordre alphabétique de leur symbole sauf H et He placés en début. Des intensités très relatives sont données pour guider un peu le jugement de la présence ou non des raies. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 55

5 - Identifications Procyon est une étoile un peu plus chaude que le Soleil. Vous devez donc retrouver les raies solaires avec des intensités un peu différentes. H Mg Fe l’hydrogène le magnésium le fer Avec l’hydrogène, on découvre le corps le plus abondant de l’Univers. Avec le fer, on trouve le métal qui est celui qui se forme en fin de cycle dans les étoiles et ayant un noyau très stable. Il est moins facilement détruit que les éléments plus léger. Il est donc très abondant et facilement visible dans les spectres. Avec le magnésium, nous avons un métal léger assez abondant et qui a ses raies fondamentales caractéristiques dans la zone du visible. L’oxygène atmosphérique sous forme de mélécules est aussi bien visible. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 56

6 – Spectres en profil de raie On va reprendre les données des spectres en profil de raies (fichiers créés sous IRIS extension TXT)pour les tracer et comparer avec les images spectrales. 1) Formatage des données Un premier travail est d’ouvrir dans le Bloc-Notes ou autre éditeur de texte simple, les fichiers des spectres d’extension TXT. Par ligne, il y a un couple Position pixel - Intensité, ces deux valeurs étant séparées par un espace. • Remplacer tous les espaces par un caractère Tabulation. 2) Transfert dans le tableur de Geogebra • Sélectionner l’ensemble des donnée, et par Copié-collé les mettre dans - les colonnes E et F pour le spectre d’étalonnage, - les colonnes G et H pour les données du spectre. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 57

6 – Spectres en profil de raie Créations des listes données Pour tracer les spectres sous forme de suite de segments, il faut les abscisses et les ordonnées sous forme de listes : - les positions des pixels (abscisses) - les intensités des spectres (ordonnées) de l’objet de l’étalonnage • En sélectionnant tout les éléments de la colonne E, créer une liste que l’on renommera Xpix • De même colonne F : liste Ietal, et colonne H : liste Ispec 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 58

6 – Spectres en profil de raie Spectre objet On se propose de tracer le spectre de l’objet mis à l’échelle entre les ordonnées 300 et 800 soit sur une plage d’ordonnée de 500. Changement de l’échelle des données Au minimum correspondra 300 et au maximum correspondra 800 • Calcul du minimum et maximum : Minspec = min[Ispec] Maxspec = max[Ispec] Nouvelle liste des intensités dans la nouvelle échelle : Ispec' = (Ispec - Minspec) / (Maxspec - Minspec) * 500 + 300 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 59

6 – Spectres en profil de raie Tracé du spectre sous forme d’une séquence de petits segments : Geogebra : syntaxe d’un point : (x, y) syntaxe d’un segment : Segment[ <Point>, <Point> ] 1 er point du segment x y Sq. Sg. Spec = Séquence[Segment[(Elément[Xpix, i], Elément[Ispec', i]), (Elément[Xpix, i + 1], Elément[Ispec', i + 1])], i, 1, npix - 1] x y 2ème point du segment 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 60

6 – Spectres en profil de raie • De façon similaire construire la séquence Sq. Sg. Etal du spectre d’étalonnage. • Affecter la valeur logique de visualisation fspectre à Sq. Sg. Spec. • Affecter la valeur logique de visualisation fetal à Sq. Sg. Etal. Comparer la manière de mesurer les positions des raies avec les deux façons de représenter les spectres. 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 61

En… Fin 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 62

Autres spectres Spectre lunaire - solaire Effacer le spectre de l’étoile et le remplacer par le spectre de la Lune d 38_lune. jpg. La Lune étant un objet large, elle couvre toute la fente. Les raies noires horizontales ne sont que des poussières qui cachent la lumière. Par contre on voit les changements d’intensité dues aux différentes régions de l’image se trouvant sur la fente. On peut garder la position de la ligne bleue pour faire les mesures si elle ne se superpose pas à une bande noire. L’étalonnage ne sera pas à refaire. On regardera la différence avec le spectre de l’étoile précédente qui semble contenir les mêmes raies, mais avec des intensités très différentes dues à la classe spectrale de Procyon F 5 IV plus chaude que celle du Soleil G 2 V. Sauver dans un nouveau fichier pour avoir un fichier par objet. 07/04/2014 Traitement et identifications - spectres du Lhires III 63

Autres spectres Spectre Bételgeuse fichier d 29_betelgeuse. jpg. L’étoile étant à un autre endroit sur la fente, il faut déplacer le curseur bleu pour se mettre dessus. Il faut donc refaire l’étalonnage. La aussi, la différence de spectre est très sensible, l’étoile plus froide (M 1 -2) possède beaucoup plus de raies et surtout des bandes moléculaires qui apparaissent à ces températures. Sauver dans un nouveau fichier pour avoir un fichier par objet. 07/04/2014 Traitement et identifications - spectres du Lhires III 64

Arcturus Le nom Arcturus vient du grec ancien Ἀρκτοῦρος qui signifie « le gardien des ours » en raison de sa proximité avec la Grande Ourse et la Petite Ourse. Elle est citée pour la première fois par Hésiode. Son lever héliaque, à la mi-septembre, servait de point de repère aux Grecs. Son appartenance à la constellation du Bouvier illustre le mélange entre la mythologie grecque (les ours et leur gardien) et romaine, où la Grande Ourse représente une charrue tirée par des bœufs, d'où la présence d'un bouvier. En Hawaïen, Arcturus se nomme Hokule'a (étoile du bonheur). Elle est l'étoile zénithale de l'île principale de Hawaii, et permettait aux navigateurs venant de l'hémisphère sud de rejoindre aisément le groupe des îles Sandwich. La pirogue double traditionnelle Hokule'a, la première des temps modernes à réussir une traversée entre Hawaii et Tahiti sans instruments de navigation, en 1976, tire son nom de cette étoile. (Source Wikipedia) 2016/12/01 07/04/2014 Instrumentation Traitement - Traitement et identifications - spectres de spectres du Lhiresastronomiques III 65

Véga Le terme Wega (devenu Véga) est issu d'une translittération du mot arabe waqi signifiant « tombant » , par la phrase ' ( ﺍﻟﻨﺴﺮ ﺍﻟﻮﺍﻗﻊ an-nasr al-wāqi‘), qui se traduit selon les sources par « l'aigle tombant » , ou « le vautour plongeant. Lla constellation était représentée par un vautour dans l'Égypte antique et par un aigle ou un vautour dans l'Inde antique. Le terme arabe est apparu en Occident dans les tables alphonsines, qui furent créées entre 1215 et 1270 sur l'ordre du roi d'Espagne Alphonse X. Pour les Grecs, la constellation de la Lyre fut formée à partir de la harpe d'Orphée, Véga représentant la poignée de l'instrument. Dans l'empire romain, le début de l'automne était basé sur l'heure à laquelle Vega disparaissait sous l'horizon. (Source Wikipedia) 2016/12/01 07/04/2014 Instrumentation Traitement - Traitement et identifications - spectres de spectres du Lhiresastronomiques III 66

Procyon (α Canis Minoris / α CMi) est l'étoile la plus brillante de la constellation du Petit Chien et la septième plus brillante du ciel nocturne. Son nom vient du grec προκύων (prokýōn), ce qui signifie « avant le chien » , Procyon précédant Sirius (l'étoile du Chien) lors de son déplacement sur la voûte céleste. http: //villemin. gerard. free. fr/ Ces deux « étoiles des chiens » sont mentionnées dans la plupart des mythologies anciennes, celle d'Orion par exemple, et étaient déjà vénérées notamment par les anciens babyloniens et égyptiens. Procyon est aussi un des sommets du triangle d'hiver. Il s'agit également de l'une des étoiles plus proches de la Terre, à seulement 11, 4 années-lumière (3, 496 pc) (Source Wikipedia) 2016/12/01 07/04/2014 Instrumentation Traitement - Traitement et identifications - spectres de spectres du Lhiresastronomiques III 67

Beltégeuse Le nom « Bételgeuse » vient de ﻳﺪ ﺍﻟﺠﻮﺯﺍ , yad aljawzā, un terme d'origine arabe pré-islamique qui signifie « la main d'al-jawzā» . Le terme fait référence à un personnage féminin, http: //villemin. gerard. free. fr/ et dérive probablement d'une racine qui signifie « au milieu » . Il aurait pu désigner dans l'Arabie ancienne une constellation qui recouvrait les étoiles de l'actuelle Orion, et faire référence à la position centrale de celle-ci sur la voûte céleste. Après la traduction de l'Almageste, le terme est utilisé par les astronomes musulmans, en concurrence avec d'autres appellations, tant pour désigner la constellation d'Orion que celle des Gémeaux. Le terme est d'abord transcrit au Moyen ge en Bedalgeuze. À la Renaissance, apparait un « t » à la place du « d » : étymologie erronée souvent reprise depuis. (Source Wikipedia) 2016/12/01 07/04/2014 Instrumentation Traitement - Traitement et identifications - spectres de spectres du Lhiresastronomiques III 68

Lune Le mot Lune provient du latin Luna. La forme latine luxna rapproche Luna de lux, « lumière » dont la racine serait leuk, mot indo-européen signifiant être lumineux. Le mot « Lune » aurait été utilisé en France en 1080 pour « astre satellite de la Terre » (Source Wikipedia) 2016/12/01 07/04/2014 Instrumentation Traitement - Traitement et identifications - spectres de spectres du Lhiresastronomiques III 69

En… Fin 2016/12/01 Instrumentation - Traitement et identifications de spectres astronomiques 70