Spectrographic observation of sodium emission from Io satellite
Observation spectrographique du sodium autour du satellite Io

We report here the first amateur detection of atomic sodium escaping from galilean satellite Io surface (first discovered by Brown. R. A. see Optical line emission from Io, in Proceeding IAU Symposium 65, 1973). The atomic sodium signature is observed in the yellow D2 and D1 lines (respectively at 5889.95 A and 5895.92 A). The spectra are taken the July 27, 2008 at Pic du Midi observatory with an echelle spectrograph at  R=10 000 (prototype of eShel spectrograph from Shelyak Instrument) and the 0.6-m telescope. The observers are Christian Buil, Valérie Desnoux, Michel Pujol and Olivier Thizy.

Nous rapportons ici la première détection amateur du sodium atomique autour du satellite galiléen Io (une découverte de Brown. R. A. voir Optical line emission from Io, in Proceeding IAU Symposium 65, 1973). La trace du sodium atomique est observée dans les raies jaunes D2 et D1 (respectivement aux longueurs d'onde de 5889.95 A et 5895.92 A). Les spectres ont été obtenu le 27 juillet 2008 au Pic du Midi avec un spectrographe échelle à R=10000 (prototype du spectrographe eShel de la société Shelyak Instrument) et le télescope de 60 cm. Les observateurs sont Christian Buil, Valérie Desnoux, Michel Pujol et Olivier Thizy.

Figure 1. The full Io observed spectrum (19 echelle orders are merged). 900 sec. total exposure time.
Figure 1. Le spectre complet de Io (19 ordres du spectrographe echelle sont mis bout à bout). Le temps d'exposition total est de 900 secondes.

Figure 2. Comparison of Europe and Ganymede spectra near Na doublet. The spectra are very similar
(H2O telluric lines are removed and respective radial velocity are corrected).
Figure 2. Comparaison des spectres de Europe et de Ganymède au voisinage du doublet du sodium. Les spectres sont très similaires
(les raies telluriques H2O sont retirées et les veitesses radiales respectives sont corrigées). 

Figure 3. Comparison of Io and Ganymede spectra.
A peculiar shape of Io's D1-D2 lines relative to Ganymede is very evident.
Figure 3. Comparaison des spectres de Io and Ganymède.
Une forme particulière des raies D1 et D2 dans le spectre de Io est à présent évidente relativement à Ganymède.

Figure 4. Details of D1-D2 lines for Io, Europe and Ganymede.
Figure 4. Details des raies D1-D2 pour Io, Europe and Ganymède.

Figure 5. The ratio of Io and Ganymede spectra. The deep Fraunhofer features in the original spectra are now canceled
(compare with figure 1). Note the red albedo of Io and of course, the Na emission.
Figure 5. Le rapport des spectres de Io et Ganymède. Les raies de Fraunhofer profondes ont bien été effacées par rapport
aux spectres de départ (comparer avec la figure 1). Noter l'albédo rouge de Io caractéristique et bien sur, l'émission Na.

Figure 6. Difference of Io and Ganymede spectra. The sodium cloud emission is now isolated and can be quantified.
Figure 6. La différence des spectres de Io et de Ganymède. L'émission du nuage de sodium est maintenant isolée et peu être quantifiée.

It should be first noted that in the presents analyse the radial velocities are reduced in the Ganymede's system (because the orbital motion of satellites around Jupiter produces a large spectral shift, this operation cancels differential orbital wavelength shift). Then, it is clear that there is a red shift spectral emission lines concerning Io's sodium emission lines (see figure 4). The explanation is quite simple (in principle...). The escape speed of gases because Io gravity is only 1 km / s. According to W. H. Smyth (Icarus 126, 58-77, 1997) the primary source of gases emission is characterized by low-speed, between 2.6 and 4 km/s. We measure in the spectra a shift of 0.06 A along the line of sight (Io disk in on the optical fiber), which corresponds to a velocity  of 3.0 km / s.  The absolute value is in good agreement with the prediction... but the sign of velocity escape seem to be incorrect. A simple reasoning suggests that  the gases should be ejected toward the observer and we should observe a blue shift!). More investigation are necessary (insufficent angular resolution to separate the movements of various parts of clouds, etc)...

Il faut d'abord noter que dans l'analyse les vitesses radiales sont ramenées dans le système de Ganymède (car le mouvement orbital des satellites autour de Jupiter produit un décalage spectral très important et l'opération annule cet effet différentiel). Ensuite, on note un décalage spectral vers le rouge des raies d'émission du sodium dans le spectre de Io (voir la figure 4). L'explication est en principe assez simple. La vitesse d'échappement des gaz de la gravité de Io est de seulement 1 km/s. D'après W. H. W. H. Smyth (Icarus 126, 58-77, 1997), la source primaire d'émission des gaz est comprise entre 2.6 et 4 km/s. On mesure dans les spectres un décalage spectral de 0.06 A,  ce qui correspond à une vitesse suivant la ligne de visée de 3.0 km/s (en pointant la fibre optique sur le disque de Io). C'est en très bon accord avec la prédiction, mais le signe du déplacement des gaz n'est pas correct. Un raisonnant simplement suggère qu'on devrait observer un décalage des raies vers le bleu (éjection vers l'observateur), mais ce n'est peut être pas aussi simple et la question doit être creusée (résolution angulaire insuffisante pour séparer les mouvements de différentes parties du nuage, etc ?)...

The Pic du Midi observatory (french Pyrénées).
L'observatoire du Pic du Midi.

See also this poster about Io sodium detection with LISA spectrograph

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