Attention ... Saturne !

Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement électromagnétique selon les longueurs d’ondes. Un objet à une certaine température émet un rayonnement dit de corps noir. Son spectre est continu selon les longueurs d’ondes : on parle alors de continuum. Lorsque la lumière émise par l’objet est absorbée en chemin par du gaz froid, le spectre lumineux est modifié : on observe alors de fines raies sombres appelées raies d’absorption, qui correspondent aux éléments chimiques présents dans ce gaz. Inversement si du gaz est excité, il va émettre de la lumière à certaines longueurs d’ondes : on observe alors des raies d’émission. La spectroscopie permet ainsi de déterminer la température et la composition chimique des objets observés, et de ce qui se trouve sur le trajet de la lumière.

Dans notre étude, nous nous intéresserons à une autre application de l’étude spectroscopique, qui permet de déterminer la vitesse radiale de l’objet observé. Lorsque l’objet observé s’éloigne de nous, l’intégralité de son spectre est décalé vers les grandes longueurs d’ondes, soit le rouge. Inversement, si l’objet s’approche de nous, ses longueurs d’onde sont décalées vers le bleu. C’est l’effet Doppler. Cette propriété de la lumière va nous permettre de déterminer la vitesse de rotation de Saturne. Le spectre provenant de la partie de la planète s’éloignant de nous se décale vers le rouge, et la partie s’approchant de nous se décale vers le bleu. En plaçant une fente le long de l’équateur de Saturne, on isole la lumière provenant de celuici. On étudie la dynamique de la planète en observant le décalage en longueur d’onde des raies d’absorption.

 Observations/Réduction des données

Acqusition du spectre à l’observatoire du CALA.

Découragée par les nuages, l’équipe d’observateurs s’est limitée à son strict minimum : seuls Evan, accompagné de son frère, se sont aventurés jusqu’à notre observatoire (en 4L), où Olivier et François les ont vite rejoint. Entre quelques spectres stellaires, Saturne s’est dévoilée et nous a permis quelques jolies poses.

Image brute du spectre de Saturne.

L’image brute obtenue étant difficilement exploitable, il a fallu procéder à une réduction des données. Nous avions à notre disposition le dark, l’offset, qui ont nous ont respectivement permis d’éliminer le bruit thermique ainsi que le bruit de lecture. Le flat n’a cependant pas été pris lors de la nuit d’observation, la technique différant de la traditionnelle plage de lumière uniforme en imagerie. Il faut en spectroscopie recourir à une lampe au tungstène, que nous n’avions malheureusement pas sous la main. Grâce à notre maîtrise exceptionnelle de Spiris, nous avons obtenu une image exploitable (cf image traitée) Pour nous encourager, nous avons eu droit à quelques Ferrero Rocher (nous tenons à préciser que nous ne faisons aucune publicité).

Image traitée du spectre de Saturne.

L’équateur de Saturne est ici à la verticale, la partie la plus brillante correspondant à la planète elle même, son anneau de part et d’autre. Horizontalement se déroulent les longueurs d’ondes, des plus courtes aux plus grandes, centrées autour de la raie d’hydrogène Ha vers 6550Å. Nous observons des raies sombres, qui correspondent aux raies d’absorption, dues à la présence de gaz froid sur le parcours de la lumière. La lumière, émise par le corps noir parfait qu’est le soleil (si si !), est au passage absorbée à certaines longueurs d’onde par l’atmosphère solaire, par l’atmosphère de Saturne elle-même, et par l’atmosphère terrestre. En regardant de plus près, on observe que ces raies sont plus ou moins inclinées. Les raies verticales correspondent aux raies terrestres ; notre atmosphère considérée au repos absorbant d’une façon homogène la lumière. Les raies provenant de l’absorption de la lumière par Saturne sont inclinées par l’effet Doppler, le spectre de la moitié s’éloignant de nous se décalant progressivement vers le rouge et pour l’autre moitié vers le bleu, mais il n’y en a pas de clairement visible sur nos images.

Zoom sur la raie Ha du spectre

Les raies d’absorption les plus évidentes sont les raies de l’atmosphère solaire. La lumière solaire incidente sur Saturne en rotation subit un premier effet Doppler, puis un second après réflexion sur la planète. Les raies subissent ainsi un double effet Doppler et sont fortement inclinées. La mesure de cette inclinaison permet ainsi de mesurer la vitesse de rotation de Saturne. Agrandissons la raie d’hydrogène Ha. Nous comptons un écart de 7 pixels entre le centre des raies de part et d’autre de l’équateur. Après calibration par les raies du néon, nous savons que l’échantillonnage de notre système est de 0.115 Å/pixel. Ainsi d’après la formule de l’effet Doppler :

avec ’’ la longueur d’onde, ’’ la vitesse mesurée et ‘c’ la vitesse de la lumière, on a :

soit :

Cet écart de vitesses mesuré sur une raie solaire doit être divisé par deux suite au double effet Doppler. En outre, ce n’est pas la vitesse de rotation de la planète à l’équateur qui a été mesurée mais son amplitude sur le diamètre équatorial. Il nous faut en réalité diviser par quatre l’écart de vitesse précédemment calculé.

On obtient alors :

On estime ainsi la vitesse de rotation de la planète Saturne à l’équateur d’environ 9.21 km.s-1. Sa valeur théorique étant de 9.87 km.s-1, nous estimons par comparaison une erreur de 7%. Soit nous sommes très forts, soit nous avons eu beaucoup de chance ! Dans tous les cas un calcul d’incertitudes serait intéressant.

 Présentation à Exposciences.

Présentation du projet à ExpoSciences

Exposciences 2007 (12 mai au Parc de Parilly) nous a semblé une occasion rêvée pour présenter nos résultats. Seuls Pierre et Alexandre étaient disponibles et ont donc pu soutenir notre projet. Le temps de tout installer et de s’échauffer, et le jury arrive pour évaluer notre prestation. C’est seulement ensuite que la valse des présentations a commencé, devant un public âgé de 7 à 77 ans. Emilie s’est chargé d’expliquer notre projet aux plus jeunes tandis qu’Alexandre et Pierre l’ont présenté avec brio aux plus avertis, ce qui a valu au groupe projet jeunes du Club Astronomie Lyon Ampère le “Prix de la passion”.

Nous pouvons noter l’arrivée tardive de Pierre Farissier, juste avant la remise des récompenses pour nous subtiliser le chèque potentiel, nous remercions aussi le membre du CALA qui est venu nous soutenir.

Dans la coupole, le Lhires III sur le C14.

 Conclusion

Nous pouvons conclure en soulignant l’incroyable potentiel du LHIRES III, de la qualité et de la multitude de ses applications. Avec le matériel mis à disposition par le club (et surtout l’aide des Oliviers et de François), il est ainsi possible de se faire plaisir tout en faisant de la science !