Stage de spectrographie - Session 3 (1/3)

L'ACQUISITION ET LE PRETRAITEMENT DES SPECTRES

Christian - Durant le repos une question m'est venue. Pourquoi la spectrographie devient d’actualité aujourd’hui pour les amateurs ?

Aude - C'est l'extraordinaire sensibilité des capteurs CCD et leur disponibilité qui rendent la spectrographie accessible aux amateurs. En même temps, des outils logiciels apparaissent pour une exploitation des spectres nettement facilité et efficace. La spectrographie c'est aussi un moyen de sortir des sentiers battus et de s'approcher d'une collaboration constructive avec le milieu de l'astronomie professionnelle. Je pense qu'une bonne génération d'astronomes amateurs cherche un nouvel Eldorado. Or, la spectrographie offre l'occasion de découvrir un ciel totalement nouveau et dynamique.

Raymond - Que veux-tu dire par dynamique ?

Aude - Au premier abord, le ciel étoilé parait bien statique. Mais au fur et à mesure que les outils d'investigations des astronomes deviennent de plus en plus précis, c'est un monde qui apparaît vivant. Le spectrographe permet de vraiment plonger dans l'intimité des astres. L'étoile par exemple perd son caractère ponctuel, elle prend en quelque sorte du volume. Sur des périodes de temps de quelques minutes à quelques jours, ce qui est très bref à l'échelle astronomique, il est possible en auscultant le spectre de voir les pulsations d'une étoile, de saisir ces humeurs lorsqu'elle éjecte de la matière, ou encore suivre quasiment en temps réel un compagnon tournant autour d'elle. C'est très frappant comme sentiment. Il est assez étonnant aussi de constater qu'avec un petit télescope de 200 mm il est possible de mesurer le décalage vers le rouge des galaxies et de quelques quasars. Re-démonter l'expansion de l'univers depuis son jardin c'est tout de même assez classe et spectaculaire.

Christian - J'ai tout de même un peu de mal à croire à ce que tu dis...

Aude - Tout ceci est vrai, mais au prix de quelques efforts. Il sera toujours nécessaire de bien maîtriser ces outils, aussi modestes soient-ils, de les utiliser avec rigueur et se forger une solide expérience. Bien des observations sont à la limite du possible, mais c'est cela qui est bien. Et puis il faut en premier lieu apprendre, et si je peux y contribuer, j'en serais très heureuse.

Pour cette deuxième session je vous propose une l'immersion totale ! Vous aller traiter avec moi un certain nombre d'images de spectres d'étoiles. Nous partirons de l'image brute telle que vous la voyez au télescope, pour finir avec un spectre qui va déjà être exploitable pour quelques interprétations. Nous achèverons le traitement de ce spectre lors de la troisième session du stage. Ce faisant, vous aller voir pour une bonne part ce qui fait la spécificité du traitement des données spectrales. J'espère que je vais être en mesure de démystifier le sujet et ... surtout pas vous embrouiller !

Raymond - Je m'attends au pire ma brave dame !

Aude - Soit optimiste Raymond ! On va faire du concret et je vais tâcher de répondre à toutes les questions. Voici justement un spectre brut, tout frais sortie du télescope :

Christian - Oups ! Mais où est le spectre ? C'est les machins horizontaux ? Pourquoi il y en a deux ? C'est quoi cette énorme barre verticale ? Et puis il est bizarre ce format d'image, tout en largeur ?

Aude - Du calme Christian, je vais tout expliquer, pas de panique. Il y a deux spectres d'étoiles dans cette image. Le spectre de l'étoile qui nous intéresse est le trait horizontal juste au-dessous du centre. Un autre spectre est visible tout en haut de l'image : il correspond à une étoile qui se trouve par hasard dans notre champ de vue.

Alain - D'accord mais pour moi un spectre cela évoque les couleurs de l'arc-en-ciel. Ce n'est pas très coloré ce que tu nous montres Aude.

Aude - Je sens Alain que tu aimes bien la couleur  ! Tu risques d'être un peu déçus, tout au moins dans l'immédiat. A vrai dire les couleurs sont bien là, mais elles sont masquées car le capteur CCD utilisé ne permet pas de les restituer directement. Il voit le ciel en noir et blanc.

Alain - Mais peux-tu nous décrire quel serait l'aspect de cette image si elle était en couleurs ?

Aude - Dans ces spectres d'étoiles vous verriez immédiatement une bande de couleurs continu allant de rouge au bleu de gauche à droite. On appelle une telle bande un "continuum" car il s'agit d'un changement continu des couleurs. Le simple examen de la répartition de l'intensité des couleurs donne déjà des informations astrophysiques importantes : suivant la prépondérance d'une couleur il est possible de déduire par exemple la température de l'étoile. Ainsi, une étoile qui produit plus de lumière bleue que de lumière rouge est chaude :

Inversement, une étoile qui émet plus de lumière rouge que de lumière bleue est froide :

Mais en regardant bien, vous notez sur les spectres de mon image CCD des interruptions ou des sur-intensités de lumières très locales. Ce sont les fameuses raies spectrales, les empreintes digitales des éléments chimiques présents dans l'étoile, plus précisément, dans les couches externes, les seules visibles. Voici l'aspect des deux spectres simulés précédents, respectivement d'une étoile chaude et d'une étoile froide, avec en plus du continuum, la présence des raies spectrales :

Christian - D'accord, dans les exemples que tu montre, les raies spectrales sont bien évidentes, mais par contre il n'est pas facile de les voir dans ton image CCD !

Aude - C'est vrai, et c'est bien pour cela que nous allons devoir traiter nos images avec soin. Leur contenu sera bien mieux révélé au terme de notre périple. Cela vaut la peine de travailler, vous allez voir.

Alain - Dans le spectre du bas dans l'image CCD, les raies apparaissent brillantes il me semble.

Aude - Exact. C'est du reste sur le spectre de cette étoile que vont porter nos efforts. Les raies lumineuses sont appelées "raies d'émission" car l'objet émet à ces longueur d'ondes plus de lumière que le continuum voisin. Elles prennent naissances dans le cas présent dans une sorte de vaste disque de gaz rarifié qui tourne rapidement autour de l'étoile. Des raies du même type sont observables dans les tubes fluorescent de nos éclairages. Ce sont des décharges électriques qui en excitant les atomes du gaz sont alors les responsables de l'émission de lumière dans des longueurs d'ondes précises, caractéristiques de la nature du gaz emprisonné dans le tube. Les mécanismes de production des raies d'émission sont bien sur différent dans les étoiles. Parmi ceux-ci on peut signaler l'excitation des atomes par le fort rayonnement ultraviolet émis par l'étoile. La notre est propice justement à l'émission d'un tel rayonnement car elle est très chaude. Elle fait partie de la famille des étoiles B, mais compte tenu de la présence des raies d'émission, on la classe dans la catégorie des étoiles Be, en ajoutant le "e" pour "émission".

Raymond - Pourquoi ne pas utiliser une webcam, le spectre serait immédiatement visible en couleur ?

Aude - Parce que les webcams ne sont pas assez sensibles aujourd'hui. Le fait d'étaler la lumière dans un spectre ne facilite pas le travail du capteur, nous avons parlé de cela lors de la première session. Tout dépend bien sur aussi de la classe de magnitude des astres visés, de la taille du télescope, de la résolution spectrale...

Alain - Tu viens de dire tout à l'heure que la partie rouge du spectre de l'étoile se trouve à gauche dans l'image CCD. Pourquoi ce choix ? Est-ce une convention ?

Aude - La convention veut que l'on parcoure le spectre des courtes longueurs d'ondes vers les grandes longueurs d'ondes en allant de gauche à droite, et c'est donc l'inverse que vous voyez actuellement sur mon image. Rappelez-vous en que les courtes longueurs d'onde sont celles qui donnent la sensation du bleu alors que les grandes longueurs d'onde apparaissent rouge. Nous verrons vers la fin de cette session qu'il est facile de retourner le spectre de 180° par traitement d'image. Bien sûr, j'aurais pu faire pivoter d'un demi-tour la caméra dans le spectrographe, mais je suis assez paresseuse ! Si le logiciel le fait très bien, à quoi bon !

Raymond - La couleur verte doit normalement se situer au centre de l'image donc ?

Aude - C'est exact dans le cas présent. Mais attention, il n'en est pas toujours ainsi. Tu te rappelle Raymond, j'ai introduit la notion de dispersion de la lumière lors de la première session. Et bien certains spectrographes dispersent tellement les couleurs, que seule une petite partie du spectre est visible en une fois sur le capteur. Parfois, tu ne verras qu'un trait coloré parcourant les nuances de rouges seulement. Il se trouve que le spectrographe utilisé ici est conçu pour montrer le spectre pratiquement en entier, du rouge au bleu.

Christian - En entier ? Est-ce bien sûr ? Tu nous as parlé des radiations lumineuses infrarouges et ultraviolettes tout à l'heure, que l'on ne peut percevoir à l'oeil, mais qui existent bel et bien, non ?

Aude - C'est vrai que le spectre ne se limite par à ce que voit l'oeil. Nous verrons plus tard quelles sont les limites en longueur d'onde de notre spectre. Mais pour l'instant, faites-moi confiance, le rouge est à gauche et le bleu à droite !

Il y avait une interrogation tout à l'heure sur le format bizarre de l'image. Je crois que c'est Christian qui était surpris. La forme filiforme du spectre explique le format adopté pour l'image. Seules les parties utiles de l'image CCD sont transférées vers l'ordinateur. On limite la taille de cette image afin de ne pas trop occuper de mémoire et pour réduire le temps de lecture du CCD. Le format de la sous-image utilisée couvre la largeur maximale du spectre et une région de part et d'autre de celui-ci suffisante pour être tolérant vis à vis du pointage du télescope. On appelle cela fenêtrer l'image.

Christian - Et l'explication de cette bande blanche verticale vers le centre ?

Aude - Il faut tout d'abord que je vous donne le contexte de l'observation. J'utilise le spectrographe en mode fente large. Celle-ci est ouverte sur 1 mm environ. En outre, le ciel est fortement illuminé par des lampadaires d'éclairage urbain à lampes de vapeur de sodium. La lumière émise est très jaune car le spectre de ces lampes est du type à émission avec des raies très intenses vers 5890 angstroms. Ce que vous voyez dans l'image, ce sont en fait deux familles de spectre. La premiere famille correspond aux spectres des étoiles. Ces dernières sont focalisées au niveau du plan de la fente et apparaissent dans notre image sous la forme de spectres bien nets.

Raymond - Avec deux étoiles dans la fente...

Aude - Oui, et on peut préciser quelles sont positionnées par rapport à cette ouverture, bien sur, l'une au-dessus de l'autre, mais aussi, très légèrement décalés dans le champ dans le sens droite/gauche.

Christian - Tu vois cela comment ?

Aude - Regarde bien l'image, j'ai indiqué la position des principales raies visibles dans l'image brute. Ces deux étoiles montrent les raies de l'hydrogène, sauf que, dans une, elles sont en absorption, et dans l'autre, elles sont en émission. Tu remarque probablement le petit décalage horizontal : dans le champ, l'étoile du haut est décalée vers la droite par rapport à l'étoile du bas. Bien se rappeler l'analogie que j'ai d'écrite lors de la première session entre l'aspect du champ en imagerie directe et le spectre correspondant.

Christian - OK, j'ai compris !

Aude - J'en viens à la seconde famille de spectres. Elle est associée aux objets diffus, qui occupent tout le champ image. Je veux parler bien sur de la brillance du ciel sous-jacente au spectre des étoiles. On parle aussi la lueur du "fond de ciel". Cette lumière parasite passe abondamment par la fente large et produit un spectre dans l'image qui occupe toute sa hauteur. Mais, je vous ai dit que lumière du ciel est jaune, presque monochromatique, aussi le flux provenant du fond va se concentrer uniquement dans la partie jaune de l'image spectrale.

Alain - C'est à dire en gros vers le centre de l'image...

Aude - Exactement, et c'est bien ce que l'on voit. Cette raie est large d'une part, parce qu'elle n'est pas unique en fait, il y a un petit groupe de raies d'émissions toutes proches l'une de l'autre, d'autre part, parce que la fente d'entrée est très large et que l'on voit sont image dans le spectre. Pour bien saisir ce dernier point, rappelez-vous l'exemple des images monochromatiques dans le spectre de Messier 57 tout à l'heure. Vous pouvez faire la correspondance avec ce que vous voyez à présent si vous imaginez une nébuleuse qui occuperait toute la surface de la fente, mais qui ne produirait que quelques raies brillantes dans le jaune.

Raymond - Mais dit donc, il me semble que tu viens de fabriquer un filtre anti-pollution lumière parasite !

Alain - Effectivement, si la lumière parasite se concentre dans le jaune uniquement, alors cela veut dire que la partie rouge et la partie bleue du spectre sont protégées. C'est juste ?

Aude - Vos remarques sont justes et très importantes. Le fait de décomposer la lumière permet en effet de voir que certaines régions du spectre ne sont pas touchées par l'éclairage urbain et que le spectrographe permet de bien séparer ces zones.

Christian - Si j'interprète bien ce que tu dit, il y a intérêt à avoir une fente bien fine pour limiter la zone de pollution du spectre ?

Aude - Exactement. A la limite, si la fente est très étroite, on va voir des raies du fond de ciel très fines et très localisées. Mais dans ce cas, le problème se pose de maintenir l'étoile dans une fente très peu ouverte durant l'exposition. J'ai choisit ici un compromis. J'admets que j'aurai peu faire mieux ici, car pour tout vous dire, la fente n'était pas tout à fait au foyer du télescope faute d'avoir finaliser le réglage du spectrographe au moment de cette observation. En conséquence, les étoiles et la fente ne sont pas nets en même temps sur le CCD. Comme j'ai décidé bien sur d'avoir les spectres d'étoiles les plus fins possibles, l'image de la fente sur le CCD est un peu floue. Normalement les raies du fond de ciel devraient avoir des bords plus net ce qui limite encore la zone d'influence de la pollution dans le spectre. Noter au passage que dans mon malheur d'habiter en ville, j'ai en fait la chance d'avoir devant moi des lampes à vapeur de sodium qui produisent des raies très localisées dans le jaune, ce qui laisse intact notamment la partie rouge du spectre, particulièrement importante à cause de la présence de la raie H-alpha de l'hydrogène. Un éclairage plus blanc, à base de lampe à vapeur de mercure, montrerait des raies plus nombreuses et distribuées plus uniformément dans le spectre. C'est moins favorable, mais il demeure possible de travailler dans ces conditions aussi. Le plus grave, se sont des lampes à incandescence qui émettent un spectre continu car alors toutes les longueurs d'onde sont polluées. Fort heureusement, ce type d'ampoule à disparu de nos villes. L'éclairage urbain moderne a du bon finalement !

Raymond - Ce sont toutes ces considérations qui expliquent pourquoi on peut faire de la spectrographie en ville.

Aude - Exactement. Je pense qu'avec ce type d'instrument il est possible de pratiquer de la bonne astrophysique depuis un toit situé en plan Paris ! Cela peut vous donner quelques espoir si vous désespériez de pouvoir tirer quelque chose d'un observatoire citadin. Il sera toujours plus satisfaisant de travailler dans le ciel bien noir de la campagne, mais la spectrographie est une activité qui diminue sensiblement les méfaits de la pollution lumineuse.

Alain - Tu viens de nous parler de focalisation. On procède comment pour focaliser un spectrographe au juste ?

Aude - Justement, ça tombe bien, j'ai un exemple. Regardez...

Aude - C'est une image en entier du CCD avec le spectre très défocalisé d'une étoile. Pour acquérir rapidement l'image j'ai choisi de travailler ici avec un facteur de binning de 2, ce qui signifie que les pixels ont été additionné deux par deux suivant les deux axes du capteur. Ceci explique le petit format de l'image. On perd de la résolution mais ce n'est pas grave puisque l'objectif est de dégrossir la focalisation. Ce mode d'acquisition est aussi très pratique pour centrer le spectre. Vous remarquez immédiatement que le spectre est très large dans le sens transversal par rapport à la dispersion. Les raies sont très peu contrastées alors que j'ai sélectionné pour l'exemple une étoile chaude dans laquelle ces raies sont normalement très marquées.

Alain - Oui, c'est très démonstratif !

Raymond - Dis-moi Aude, je note une contradiction dans ton propos. Tu viens de dire que tu centres le spectre alors que dans ton exemple, il me semble être localisé dans la partie inférieure de l'image. C'est normal  ? Moi je l'aurai mis au centre de l'image, cela me parait plus logique.

Aude - Tu es un petit malin Raymond... Hum, tu m'obliges à dévoiler mes secrets d'observateurs. Allons y. J'utilise le spectrographe à un seul objectif photographique. C'est le montage Littrow que j'ai décrit à la fin de la première session. Comme tous les instruments, celui-ci a un mode opératoire qu'il faut respecter et notamment il doit être réglé. Une des particularités intéressantes de ce spectrographe est qu'il est possible de l'exploiter dans un mode imagerie directe. Dans ce cas, le réseau à diffraction est orienté de manière à ce qu'il se comporte comme un simple miroir. Il n'y a plus de spectre. L'image visible sur le CCD est alors tout à fait équivalente à celle que vous verriez en plaçant la caméra directement au foyer du télescope. Voila ce que cela donne avec une étoile très défocalisée et mal centrée :

Raymond - Comment interpréter cette image ?

Aude - C'est une image que les opticiens décrivent en oeil de chat car elle ressemble à la pupille du félin. L'un des contours de la tache image est l'image du pourtour du miroir du télescope, la pupille d'entrée de l'instrument diront les mêmes opticiens...

Christian - La pupille, comme la pupille de l'oeil ?

Aude - La pupille de l'oeil est l'équivalent d'un objectif de lunette astronomique. Avec un télescope, ce qui fait office de pupille d'entrée dans l'instrument, c'est le miroir primaire. Revenons à l'image défocalisée. Un autre pourtour apparaît, non concentrique au contour du miroir primaire du télescope. Il provient d'un élément mécanique qui intercepte malencontreusement la lumière. On appelle cela du vignettage. Il serait à la rigueur possible de travailler ainsi, mais vous perdez alors 40 pour-cent du flux entrant dans le télescope. L'instrument est en quelque sorte diaphragmé, ce qui est dommage.

Raymond - Mais quel est donc ce maudit élément qui empêche d'amener toute la lumière jusqu'au CCD  ?

Aude - Il faut examiner le schéma optique du spectrographe pour comprendre. Un petit rappel par rapport à ce que nous avons vu lors de la première session...

... la lumière de l'étoile provenant du télescope entre par la fente d'entrée, ce réfléchie sur un petit miroir à 45°, transite une première fois dans l'objectif photographique qui rejète à l'infinie l'image de l'étoile, la lumière se réfléchie sur le réseau, repasse dans l'objectif photographique et enfin, est focalisée sur le CCD. Ouf ! Pour que ce trajet optique soit possible il faut donner des angles précis aux composants. Il y a deux endroits, entre-autre, où la lumière peut être accidentellement interceptée lorsqu'elle revient de l'objectif. Ces endroits sont marqués par des carrées bleus dans le schéma : il s'agit du bord du miroir de renvoi d'une part, et du bord mécanique de l'objectif d'autre part. Si l'étoile n'est pas correctement centrée, son faisceau lumineux lèche l'un de ces bords et il y a alors vignettage.

Raymond - C'est très technique, ça me plait ! Mais comment on se rend compte que l'étoile est correctement positionnée ?

Aude - Facile. Toujours en maintenant l'étoile défocalisée, c'est l'astuce pour voir le contour de la pupille du télescope, vous agissez sur les mouvements lents du télescope en ascension droite et en déclinaison jusqu'à ce que la tache image soit bien ronde. Voici le film des événements ...

Aude - Là c'est bon. On voit que l'image de l'étoile n'est pas centrée au milieu du CCD lorsqu'il n'y a pas de vignettage. Ce n'est pas grave en spectrographie car on n'utilise qu'une faible zone de la surface sensible. Chaque fois que le spectre d'une nouvelle étoile sera acquis, il faudra toujours penser au préalable à amener son image dans cette partie du capteur pour profiter de tout le flux lumineux disponible.

Christian - Et si je continue dans le même sens, qu'est-ce qui se passe ?

Aude - Il suffit de demander (air malicieux en direction de Christian) !

Aude - Le vignettage apparaît à nouveau, mais de l'autre coté de la tache image. Rappelez-vous toujours l'astuce de la défocalisation pour vérifier si tout va bien dans votre instrument. Notez que j'utilise une lunette car dans le cas d'un télescope, on verrait l'ombre du miroir secondaire dans la tache image. A présent, vous pouvez commencer à focaliser l'étoile en agissant sur la crémaillère ou le bouton de déplacement du miroir du télescope...

Alain - C'est quoi cette traînée verticale qui part de l'étoile ?

Aude - J'utilise une caméra CCD Audine sans obturateur dans mon spectrographe. C'est le phénomène de smearing. Lorsque le CCD est en phase de lecture la lumière de l'étoile impressionne toujours la surface sensible du capteur, ce qui produit la traînée. Le phénomène de smearing n'est perceptible que pour des objets brillants et pas vraiment gênant en spectrographie.

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