LHiRES
Littrow High Resolution Spectrograph
(R=10000 spectrograph)
June
2003
Summary:
One describes the characteristics of a spectrograph
having a resolution of 10000 around the Ha. line.
This spectrograph is dedicated
particularly to the study of this line, in particular for survey of active stars such Be
type. The design of LHIRES is economic (Littrow assembly = only one
objective) and relatively light taking into account the spectral resolution
(approximately 3 kg, Audine CCD camera included). In counterpart, the
instrument can be used only on telescopes or refractors of moderate focal
ratio (near f/8... f/10). It
is in particular well adapted to the family of the Schmidt-Cassegrain telescopes
(f/10 relative focal ratio) or some modern apochromatic refractors.
The spectrograph is used without slit in the standard mode for a maximum efficiency and to give a great operational facility. The dispersion axis is parallel to the direction of the declinaison to limit the impact on the spectral resolution of a bad telescope tracking during the exposition phase. This resolution is dependent on the seeing (and of the quality of the optics, of course). One measured an effective resolution of 11000 with fluorite apochromatic Takahashi 128 mm refractor ( f/8). The resolution is approximately of 9000 with a 8-inch f/10 telescope f/10 (and moderate turbulence). Dispersion is of 0.230 A/pixel (Kodak CCD KAF-0401E / KAF-0402ME with 9 microns pixels).
The lens of LHIRES is an achromatic doublet of 50.8 mm diameter and 300 mm focal-length (Newport origin - ref.. PAC089). The grating is an Edmund Industrial Optics of 1200 grooves/mm blaze of 7500 A (size: 50 mm x 50 mm). A small plane mirror is as a folder. A fixed 4-mm width slit is used only for the limitation of the parasitic entrance light into the instrument. The camera is an Audine. The exploitable spectral range on both sides of central wavelength is of + / - 150 angströms approximately taking into account the optical aberrations. Click here for more informations about Littrow spectrograph setup.
On décrit les caractéristiques d'un spectrographe ayant un pouvoir de résolution de 10000 autour de la raie Ha. Ce spectrographe est dédié tout particulièrement à l'étude de cette raie, notamment dans des étoiles actives telles celles de type Be. La conception de LHIRES est économique (montage Littrow = un seul objectif) et relativement légère compte tenu de la résolution spectrale (environ 3 kg, caméra Audine comprise). En contre-partie, l'instrument ne peut être utilisé que sur des télescopes ou des lunettes astronomiques plus fermées que f/8. Il est notamment bien adapté à la famille des télescopes Schmidt-Cassegrain ouvert à f/10 ou aux lunettes apochromatiques modernes.
Le spectrographe est prévu pour être utilisé sans fente pour un rendement maximal et pour lui donner une grande facilité opérationnelle (un point essentiel sur les télescopes amateurs). L'axe de la dispersion est orienté suivant la direction des déclinaisons pour limiter l'impact sur la résolution spectrale d'un mauvais suivi durant la pose. Cette résolution est dépendante du seeing (et de la qualité de l'optique). On a mesuré un pouvoir de résolution effectif de 11000 avec une lunette fluorite apochromatique Takahashi de 128 mm de diamètre ouverte à f/8. La résolution passe à environ 9000 avec un télescope de 200 mm à f/10 par nuit correcte (faible turbulence). La dispersion est de 0.230 A/pixel (CCD KAF-0401E avec des pixels de 9 microns).
L'objectif de LHIRES est un doublet achromatique de 50.8 mm de diamètre et de 300 mm de distance focale (origine Newport - Ref. PAC089). Le disperseur est un réseau Edmund Industrial Optics de 1200 traits/mm blazé à 7500 A et de 50 mm de coté. Un petit miroir plan de renvoi d'origine Edmund complète l'optique. Une fente simple et large de 4 mm est disposée au foyer du télescope. La fonction de cette fente est la limitation des entrées de flux parasites dans l'instrument. La caméra est une Audine équipée d'un CCD Kodak KAF-0401E. La domaine spectral exploitable de part et d'autre de la longueur d'onde centrale est de +/- 150 angstroms environ compte tenu des aberrations optiques.
Les figures et photographies suivantes montrent le principe de LHiRES.
Le
spectrographe monté sur une lunette Takahashi de 0.128 m à gauche, et sur
un Celestron de 8 pouces de diamètre (0.2 m) à droite.
Ci-dessous, un test de résolution spectrale sur la raie H-alpha de l'étoile Vega (compositage de 5 poses de 20 secondes avec le réfracteur de 128 mm). Le peigne de raies fines est provoqué par la présence de vapeur d'eau dans l'atmosphère terrestre. Des raies telluriques séparées de 0,6 angstroms sont distinctement séparées dans ce spectre, ce qui donne une résolution de 10800. Les raies H2O permettent aussi d'étalonner précisément le spectre en longueur d'onde. Sur une étoile brillante on obtient une sensibilité de 0,02 angstrom (outil de correlation visuelle du logiciel VisualSpec de Valérie Desnoux), ce qui représente une précision de mesure de vitesse radiale de +/- 1 km environ.
Ci-après, le même spectre après le retrait des raies de H2O (traitement VisualSpec). Le profil caractéristique de la raie est parfaitement visible :
Les deux graphes suivant montrent un autre représentation élargie du spectre de Vega autour de la raie Ha, avant et après le retrait des raies telluriques. Ces documents révèlent des franges dans la partie rouge du spectre, essentiellement à partir de la longueur d'onde de 6580 angstroms.
Ce phénomène, qui c'est révélé lors des premiers tests de LHiRES, n'est visible que si la résolution spectrale est élevée : il n'a jamais été détecté avec le spectrographe Littrow R=7000 et il disparait avec LHiRES si le spectre est suffisamment défocalisé. Les franges sont aussi invisibles en montant LHiRES sur un télescope LX200 de 10 pouces travaillant à F/10, cette combinaison donnant une résolution de R=8000 environ. Les franges ne sont pas visibles non plus dans le flat-field. Manifestement leur présence dépend de la manière dont les pixels du capteur CCD sont éclairés et de la finesse des étoiles délivrées par le télescope (la lunette fluorite FS-128 donne quasiment toujours des images limitées par la diffraction). Après investigation, le responsable s'avère être le CCD utilisé, un Kodak KAF-0401E lors des premiers tests. Les franges ont aussi été retrouvé en substituant un CCD KAF-0400 d'ancienne génération. En revanche elle se sont complètement évanouies en utilisant le nouveau KAF-0402ME, équipé de micolentilles qui concentrent le flux incident dans la partie la plus sensible d'un pixel (grille ITO). C'est ce que montre le spectre suivant de Vega réalisé avec un KAF-0402ME le 3 aout 2003. Dorénavant LHiRES est donc utilisé avec ce type de capteur. Les performances en sensibilité du CCD KAF-0402ME ont par ailleurs été mesuré : sur ce point l'écart avec le KAF-0401E n'est pas très déterminant, au moins dans la région rouge du spectre. Cliquer ici pour des détails.
Il est intéressent de comparer les résultats obtenus avec ce nouveau spectrographe avec ceux acquis avec le spectrographe R=7000 utilisé régulièrement sur le programme Be depuis de nombreuses années (spectrographe lui aussi de type Littrow mais équipé d'un objectif Nikon de 180 mm de focale)...
L'étoile Be Upsilon Cygni (alias 66 Cyg)
Deux spectres superposés de l'étoile 66 Cyg réalisés le 21,04 juin 2003 (compositage de 14 poses de 120 secondes chacune) et le 23,12 juin 2003 (compositage de 4 poses de 120 secondes). LHIRES est monté au foyer de la lunette de 128 mm de diamètre. On note la consistance du résultat et le bon étalonnage spectral. De subtiles différences sont visibles et seules des études futures permettrons de confirmer s'il s'agit d'une évolution rapide de l'étoile.
Le graphe suivant montre en superposition un spectre de 66 Cygni issu du survey d'étoiles Be (pris le 18,98 juin 2003, télescope Takahashi CN-212 de 212 mm de diamètre, R=7000, échantillonnage de 0,38 A/pixel) et un spectre obtenu avec LHIRIS associé à un télescope Celestron 8 de 200 mm de diamètre à f/10 le 23,01 juin 2003. Le résultat avec le C8 n'est pas celui escompté car la résolution un peu faible (7000 environ). Pour l'essentiel, le problème vient de conditions météorologiques très mauvaises (fort vent et seeing au devant d'un front de perturbation météorologique). Ici encore, compte tenu de la convolution naturelle de l'image réalisée avec la configuration LHIRES+C8 par le seeing, la consistance des données est très bonne.
L'étoile Be Gamma Cas
Comparaison du spectre de l'étoile Gamma Cas réalisé avec le spectrographe R=7000 et le télescope de 0,2 m d'une part, et avec le spectrographe R=10000 et la lunette de 0.128 m d'autre part. La raies H-alpha est bien sur sensiblement mieux résolue avec le spectrographe R=10000 (la structure en double pic était simplement devinée par une troncature à R=7000, elle est à présent bien évidente à R=10000). Noter que la correction de vitesse héliocentrique de la Terre n'a pas été appliqué.
Quelques autres étoiles Be observées dans le même session de test de LHiRES...
L'étoile 42 And, dont on aperçoit un profil en goulot de bouteille qui est caractéristique de quelques Be semble-t-il. Cette forme n'avait pas été détectée avec certitude jusqu'à présent dans le survey de cette étoile. Temps de pose : 12 images de 120 secondes avec la lunette de 128 mm (temps cumulé de 24 minutes).
L'étoile 6 Céphée (temps de pose cumulé de 28 minutes). Magnitude V=5,18.
L'étoile 1 Dauphin (temps de pose 36 minutes). Magnitude V=6,06.
L'étoile HD208682 (temps de pose cumulé de 20 minutes). Magnitude V=5,86. Temps de pose un peu juste pour cette étoile car au moment de l'observation la raie H-alpha est quasi au niveau du continuum. La magnitude limite raisonnable avec la lunette de 128 mm est vers 6 avec une résolution spectrale de 10000. Elle est de l'ordre de 6,5 avec un télescope de 200 mm. Le spectrographe à R=7000 est bien entendu gardé opérationnel pour suivre les étoiles Be du survey de la magnitude 6 à la magnitude 8 environ.
Observation de l'hélium I (6678 A)
Le domaine spectral couvert par LHiRES en utilisant un CCD de la famille KAF-0400 (768 pixels le long de l'axe de la dispersion) permet d'observer simultanément la raie Ha et la raie de HeI à 6678 A qui a un intéret astrophysique est important. Les deux spectres suivant montrent l'évolution de HeI en deux jours seulement sur l'étoile Upsilon Cyg (66 Cyg) :
Voici l'allure de cette même raie dans 3 autres étoiles Be typiques (successivement Gamma Cas, Zeta Tau et Beta Cep) :
Et quelques étoiles de différent type spectral, toujours autour de la raie de l'hydrogène : Deneb (A2Iae - remarquer l'émission), Capella (G5IIIe - type RS CVn), HR1099 (G9V - une autre RS CVn très célèbre...)
