Spectroscopie : Le Star Analyser

• Le Star Analyser
• Le matériel et l'acquisition des images
• Le traitement des spectres
• Présentation de spectres : Spectres obtenus avec le C8 ou la SW80ED - Nova Del 2013
• Présentation de spectres : Spectro aux RAAGSO 2017 - Spectro au Jour de la Nuit 2017

Le Star Analyser

Le Star Analyser(SA100) est un réseau de diffraction par transmission de 100 traits/mm blazé au premier ordre. Que cela veut-il dire ? Une réponse complète à cette question ferait intervenir les lois de l'optique ondulatoire, qui me sont, totalement impénétrables...
Voici, tout de même, un embryon d'explications:
La diffraction de la lumière est liée à la nature ondulatoire de la lumière et s'interprète comme un phénomène d'interférences caractérisé par la superposition d'ondes de même fréquence.
Un réseau de diffraction par transmission est donc un ensemble de fines fentes de Young, égales et équidistantes. Si un faisceau de lumière blanche le traverse, un ruban coloré appelé spectre se forme correspondant à la dispersion des différentes longueurs d'onde composant cette lumière.
Un paramètre essentiel d'un réseau est son pas, noté a , qui est la distance entre 2 traits parallèles consécutifs. Le nombre de traits n par unité de longueur est également un paramètre important puisqu'il conditionne la dispersion. Le Star Analyser dispose de 100 traits par millimètre. Chaque trait est séparé du suivant par un pas de 10µm (a=1/n). Le nombre de trait/mm détermine donc la résolution spectrale, aussi avec 100 traits/mm il s'agit d'un réseau peu dispersif qui permettra de réaliser de la spectroscopie basse résolution et de mettre en évidence les principales raies spectrales d'une étoile. D'autre part, une source lumineuse polychromatique, comme la lumière blanche, traversant un réseau est dispersée en spectres de différents ordres. Selon le profil des traits gravés par les fabricants, le réseau va concentrer la lumière sur un ordre particulier et sera dit blazé (le terme blaze a été fabriqué à partir du verbe anglais to blaze qui signifie flamboyer). Voici, ci-dessus, une image d'un spectre de Véga qui montre nettement la concentration de la lumière dispersée de l'étoile sur l'ordre 1 du réseau. L'ordre 0 ne subit aucune dispersion, les autres ordres, étant moins lumineux, ne seront pas exploités.
(Pour un exposé très complet concernant les réseaux de diffraction, cf. l'ouvrage de François Cochard, Guide pratique pour (bien) débuter en spectroscopie amateur, Principes optiques d'un spectroscope, chap 5. p.77).

Le matériel et l'acquisition des images

J'utilise principalement le Star Analyser avec la lunette astronomique Sky-Watcher 80ED, la webcam PL1m ou la CCD Atik 314L et un raccord allonge de 5cm. Le montage du Star Analyser s'effectue en 2 temps : d'abord un anneau de blocage (en haut à gauche sur l'image) est vissé dans le filetage interne du raccord 31,75mm de la webcam, puis le Star Analyser est à son tour vissé en butée sur l'anneau (les filetages sont en M28.5mm - format des filtres pour oculaire). Il faut veiller à ce que le réseau gravé soit bien parallèle au plan horizontal ou vertical du capteur de la webcam (le réglage s'effectuant en jouant sur la profondeur de l'anneau de blocage). C'est le montage recommandé, mais qui n'est pas toujours possible: par exemple, le duo PL1m + raccord allonge ne le permet pas, la dispersion étant trop importante pour placer le réseau dans le plan horizontal du capteur. J'oriente alors le SA100 sur la diagonale de ce dernier. Cependant, l'utilisation de l'Atik 314L permet de s'affranchir de ce problème, le capteur étant suffisament grand pour orienter correctemment le spectre. En outre, la résolution du Star Analyser peut être améliorée par l'ajout d'un prisme 3,8° placé à l'avant du réseau (visible sur l'image de gauche).
Voici une image brute de Véga réalisée avec la Pl1m et le logiciel d'acquisition QGVideo. C'est une pose unitaire de 200ms avec un gain de 45%, les paramètres réduction de bruit et booster de gain du logiciel d'acquisition ayant été préalablement décochés. La mise au point a été réalisée sur les raies spectrales visibles et non sur l'étoile (ordre 0).
Avec la CCD Atik 314L, j'utilise Artemis Capture pour les acquisitions, généralement avec le C8 équipé d'un réducteur de focale x0.63.

Pour résumé, voici le détail d'une soirée de spectro :
• Montage, mise en température du matériel
• Mise en station et pilotage de la monture avec EqMod,
• Mise en route de la Pl1m ou l'Atik 314L,
• Réglage de l'orientation du Star Analyser,
• Mise au point sur les raies spectrales d'une étoile brillante,
• Acquisition d'un premier spectre-étalon d'une étoile de type spectral A,
• Acquisition de spectres d'étoiles de types différents.

Selon la magnitude des étoiles et donc du temps de pose des acquisitions, de 25 à 100 images sont enregistrées au format fit dans un dossier spécifique . Je relève, pour chaque étoile, les paramètres d'acquisition dans le Bloc Note de l'ordinateur.
Avec Artemis Capture, les entêtes des fichiers fit étant parfaitement renseignées, je me contente d'enregistrer chaque série d'acquisition dans un dossier différent. Pour m'assurer que les images ne sont pas surexposées, j'utilise l'outil coupe fourni par Iris, dans le menu Visualisation, sur une image test. Enfin, comme pour l'imagerie du ciel profond, des offsets, darks et flats sont enregistrés. Mais je dois dire , que bien souvent, j'ai omis de les réaliser. L'utilisation de EqMod et de Cartes du Ciel permet en outre de choisir des étoiles selon le type spectral, de connaître leur magnitude, de naviguer d'un petit clic. C'est tout à fait accessoire, je le reconnais...

Pour compléter et approfondir ce petit tour d'horizon concernant le Star Analyser, voici les pages de Christian Buil, maître en la matière, créateur d' Iris et d' Isis, logiciels de traitement d'images :
• Le Star Analyser
• Quelque conseils sur l'usage du réseau Star Analyser
• Le site de Christian Buil

Le traitement des spectres

Pour le traitement des spectres obtenus avec le Star Analyser, j'utilise 3 logiciels différents: Iris et Isis de Christian Buil et Visual Spec de Valerie Desnoux. 3 logiciels incontournables pour l'astro et la spectro.

• Iris
La série d'images du spectre-étalon est traitée en premier.
Décodage des images brutes, préparation des images maitres (offset, dark), prétraitement, registration et addition des spectres. L'image finale est ensuite importée dans Isis.
• Isis
Traitement complet de toute une série de d'images ou affichage et réglage de la luminosité de l'image obtenue avec Iris, calcul de l'orientation du spectre (ordre 0 et ordre 1), analyse de l'image, calcul de la dispersion du profil spectral brut obtenu (étalonnage), découpage et normalisation du profil spectral étalonné, division du profil spectral par un profil référence de même type spectral, extraction du continuum (réponse instrumentale) du profil ainsi obtenu, division du profil spectral étalonné avec le continuum. Le profil final est comparé avec le spectre de référence. puis importé dans Visual Spec. Noter que tous les profils sont enregistrés au format dat.
• Visual Spec
Traitement complet à partir d'une image traitée avec Iris.
Ouverture du profil au format dat, affiche de la synthèse du profil, enregistrement du profil et de la synthèse au format image PNG pour utilisation dans un logiciel de retouche photo.

Présentation de spectres

La lumière des étoiles qui traverse le Star Analyser porte un message sur l'atmosphère des étoiles. Lors de l'acquisition des images, les différentes longueurs d'onde des radiations composant cette lumière, sont étalées sur un capteur CMOS ou CCD, puis après un traitement approprié avec un logiciel comme Isis ou Visual Spec, elles se présenteront sous forme de courbe ou profil contenant des informations. Une étoile comme Véga, par exemple, porte la signature spectrale de l'hydrogène, les raies de Balmer étant plutôt intenses (Hα, Hβ, Hγ etc...).

• Spectres obtenus avec le C8 ou la SW80ED et le Star Analyser :

Véga, α Lyr, étoile de classe A0V et référence ou spectre-étalon pour le traitement des séries spectrales obtenues

 

Comparaison du spectre de Véga obtenu avec la SW80ED et la Pl1m avec un spectre de référence sous Isis

 

Comparaison de spectres de classes A

 

Sadr, γ Cyg, une tentative d'exploration des différentes raies spectrales

 

Séquence OBAFGKM

• Nova Del 2013 :

Le 14 août 2013, Koichi Itagaki, un astronome amateur japonais, détecte une nova dans la constellation du Dauphin. L'alerte est aussitôt donnée sur Internet. Sa découverte va mobiliser les scientifiques du monde entier, mais aussi la communauté des astronomes amateurs. Cette nova, visible à l'oeil nu les premiers jours de son apparition, sera désignée sous la référence PNV J20233073+2046041 ou V339 Del par les astronomes professionnels. Cependant, par souci de simplification, elle sera surnommée, le plus souvent, Nova Del 2013.
C'est l'interaction gravitionnelle d'un couple d'étoiles, une naine blanche et une étoile géante, qui est à l'origine de ce phénomène : la naine blanche, étoile d'une extrême densité, gonflée de matière capturée à son astre compagnon, explose en augmentant de luminosité de façon spectaculaire. Une campagne de collectes de données a été menée par les astronomes amateurs, français et étrangers, faisant de Nova Del 2013 une nova très bien suivie dès les premieres heures de son apparition (cf. Le forum ARAS sur lequel, après plus de 25 pages de commentaires, le sujet était encore actif...) .
Voici ma modeste participation à ce phénomène stellaire singulier que j'ai pu imagé le 19 août 2013 à l'aide de la lunette SkyWatcher 80ED et de l'Atik 314L munie du Star Analyser.

• Spectro aux RAAGSO 2017 à Ambeyrac (12) :

En septembre 2017 sous le ciel pur aveyronnais, lors de RAAGSO 9, j'ai réalisé quelques acquisitions avec le Star Analyser, le C8 et l'ASI ZWO 178MM. C'était la premère fois que j'essayais cette caméra et son grand capteur (3096 x 2080 pixels) - l'Atik 314L étant en panne. Finalement, elle m'a bien dépanné et m'a permis d'enrisgistrer quelques spectres (voici une image brute de Véga).
Lors de cette neuvième édition des RAAGSO, David Antao, astronome amateur très actif dans le domaine de la spectroscopie, nous a gratifié d'une excellente et enrichissante présentation sur le traitement des spectres avec Isis. Un super moment passé entre copains spectro, avec à la manoeuvre un conférencier passioné et passionant.

Voici donc quelques spectres obtenus au cours de la nuit du 23 septembre 2017. Les acquisitions ont été réalisées avec FireCapture, le traitement avec Isis pour les profils et VisualSpec pour les spectres en couleurs.

• Spectro au Jour de la Nuit 2017, le 14 octobre à Saucats :

Lors de la manifestation nationale d'astronomie le Jour de la Nuit, évènement de sensibilisation à la pollution lumineuse, à laquelle la commune de Saucats (33) et notre association AG33 participent, et qui a lieu, comme chaque année sur le communal, j'ai proposé à nos visiteuses et visiteurs de tout âge, une présentation et une introduction à la spectroscopie. Dans ce but, j'ai utilisé le Star Analyser vissé sur l'Atik 314L, le tout installé, avec un réducteur de focale x0.63, au foyer du C8.
Pour ne pas gêner les observations visuelles proposées au public par les autres adhérents de l'association présents à cette manifestation, je me suis tenu isolé avec mon matériel et mon ordinateur dont la luminosité de l'écran était baissée au minimum. J'ai d'abord pointé Véga qui est une étoile parfaite, avec ces belles raies spectrales, pour une démo et une première approche de la spectrographie. J'ai été surpris de sentir l'intérêt porté par le public, interpellé par la simplicité du dispositif et par cette possibilité de faire de la science avec un simple filtre... Les questions fusaient, l'échange a été fructueux et très intéressant.

J'en ai profité pour réaliser quelques acquisitions, aussi voici quelques spectres réalisés lors de cette soirée. Les acquisitions ont été réalisées avec Artemis Capture (la caméra était refroidie à -5°C) et le traitement avec Isis.