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Groupe international d’astrophysique Hands-On-Universe1

Contact : Suzanne FAYE, professeur de Physique en PC* au lycée Chaptal, Paris mfaye@club-internet.fr

A – EMISSION, ABSORPTION, DISPERSION.

1 – Décomposer la lumière = « étaler » le spectre = dispersion

Pour analyser la lumière qui vient d’une étoile, on utilise un système dispersif appelé

spectroscope, c’est-à-dire un dispositif, à prisme ou à réseau, qui « étale » la lumière en

fonction de la longueur d’onde.

2 – Emission – Absorption

- Les étoiles émettent une lumière qui donne, si on la décompose avec un spectroscope,

un spectre continu de lumière, à la manière d’un arc-en-ciel; la photosphère des étoiles

contient des atomes qui absorbent certaines longueurs d’onde (raies sombres): à

chaque atome, son spectre de raie = sa signature quantique.

Une cellule CCD n’enregistre pas les couleurs, mais les énergies, qui apparaissent sur l’écran

en niveaux de gris. Spectre de l’étoile Bételgeuse- Observatoire de Haute-Provence :

Un logiciel de traitement d’images peut ensuite modifier les niveaux de gris ou donner de

fausses couleurs, et tracer la courbe des énergies en fonction du numéro de pixel2.

1 Pour en savoir plus sur le groupe Hands-On-Universe, voir Annexe 2 ; on peut aussi chercher H.O.U. sur

Internet et pour la partie européenne, chercher EU-HOU. Logiciel gratuit sur le Net : Salsa J

Bételgeuse, géante

rouge

Constellation

d’Orion

2

B - TRAITEMENT D’IMAGES SALSA J (disponible sur EU-HOU)

1 - Dans le logiciel de traitement d’images, vous disposez de barres de taches ; vous allez

d’abord ouvrir une image

2 – Les fichiers du débutant

L’image ouverte avec le logiciel Salsa J peut apparaître renversée en noir et blanc.

- Dans « Opérations », « Rotation », choisir « symétrie verticale »: votre chat a de nouveau la

tête « haute » !

- Dans « Palette de couleurs », remplacer « Noir & Blanc » par « Feu », voici les chats en

fausses couleurs; « montrer la palette » permet d’afficher la correspondance entre fausse

couleur et intensité.

- Si vous agrandissez suffisamment une zone de l’image, vous verrez apparaître des carrés, les

pixels.

Pour cela, prenez l’outil « loupe » et cliquez, au besoin plusieurs fois, sur la zone que vous voulez

agrandir.

2 Pixel : Picture Element, « godet » ; les pixels, disposés en damier, constituent la cellule CCD Coupled Charge

Device.

Fichier Image Opérations Analyse

Couleurs … Fenêtre de mesures

Rotation Photométrie

Palette de couleurs

Ouvrir

Ouvrir une image pour

obtenir les autres

fonctionnalités

Montrer la palette

Coupe

Salsa J peut ouvrir de

nombreux formats( fts,

jpeg… et effectuer les

conversions entre formats)

Images au

format fts

des

astronomes

Image au format jpeg de

photo numérique grand

public, ou obtenu avec un

scanner de photo papier

3

Trait à

tracer pour

préparer

une coupe

A utiliser quand vous avez

demandé

Analyse/Photométrie

4

C – SPECTROSCOPIE

1 - Outil « Coupe »

Barre de taches, cliquez sur la case

Tirez un trait à travers les oreilles du chat.

Dans « Analyse », choisissez « Coupe » ;

Apparaît alors sur l’écran une coupe en intensité le long du

trait que vous aviez tracé.

Sinon, modifier dans options les échelles d’ordonnées

notamment.

La coupe à travers les oreilles du chat montre deux pics de

la lumière renvoyée par les oreilles du chat.

On peut dire que l’on a réalisé le spectre démission de la

lumière par les oreilles du chat.

☺☺☺☺

Et sans se faire tirer

la moustache ! Plus fort

qu’une coupe

de coiffeur !

« Spectre » obtenu par « Coupe » le long des oreilles du chat

Dans ce « spectre », l’abscisse est un numéro de pixels,

représentant la position du pixel ; l’ordonnée est une intensité

(Cf palette de couleurs).

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SPECTROSCOPIE suite

2 - PHOTOMETRIE

Dans « Analyse », choisir « Fenêtre de mesure », puis « Photométrie ». Cliquer ensuite sur le

symbole ; cliquer enfin sur un œil du chat

Et vous obtenez les informations suivantes :

Intensité (ici 1728, 72) sur le pixel d’abscisse numéro x (ici 350) et d’ordonnée numéro y (ici

792).

Quelques commandes :

Penser à arrêter la photométrie dans « Analyse / Arrêter la photométrie ».

Variante

Relever point par point les valeurs abscisse, ordonnée, (en pixels) et l’intensité

☺☺☺☺

T’as de

beaux yeux,

tu sais.

Mon œil !

6

Spectre d’une étoile

Prenons de même une image de spectre d’étoile, montrant l’intensité en fonction de la

longueur d’onde. Chaque pixel analyse une longueur d’onde différente. L’exemple ci-dessous

étudie l’étoile Bételgeuse d’Orion.

Ici, les atomes de la photosphère absorbe certaines longueurs d’onde du spectre continu émis

par l’étoile ; d’où pics d’absorption.

Nous allons agrandir la zone du double pic d’absorption pour en faire une coupe point par

point; pour cela, utiliser la loupe de la barre de tâches, cliquer sur la zone du double pic, puis

tracer la droite de coupe y=constante; relever les intensités I de chaque pixel le long de la

ligne x=[xmin, xmax].

Tracer la courbe I (x).

Zone correspondant au

pic principal

d’absorption, zone à

agrandir

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AGRANDISSEMENT ET COUPE DANS LA ZONE DU DOUBLE PIC PRINCIPAL D’ABSORPTION

405 32066 428 6576

406 32210 429 6814

407 32010 430 7813

408 31754 431 10237

409 31335 432 13834

410 32097 433 18131

411 32528 434 18818

412 31541 435 16026

413 32509 436 13947

414 31916 437 12929

415 32016 438 12722

416 32060 439 12735

417 32684 440 12910

418 31904 441 14203

419 31841 442 14902

420 30548 443 16470

421 29318 444 17082

422 28187 445 18487

423 23796 446 18768

424 17725 447 19630

425 12672 448 20836

426 9556 449 20961

427 7669

450 21966

Exemple de tableau numéro de pixel/ intensité :

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TRACE DE LA COURBE INTENSITE EN FONCTION DE X, AVEC REGRESSI

Les photos utilisées dans l’exercice (Chats et spectre de Bételgeuse) sont fournies directement

au format FITS3 des astronomes.

VOUS POUVEZ AUSSI FAIRE VOS PROPRES PHOTOS (Personnages, observations

d’astronomie…) ; si vous utilisez un appareil photo numérique grand public, vos photos sont

au format JPEG4 le plus souvent. Pour passer du format JPEG au format FITS, et utiliser ainsi

vos photos avec le traitement d’images proposé ici, vous pouvez convertir vos images d’un

format à l’autre.

LA PARTIE EUROPEENNE DU GROUPE HANDS-ON-UNIVERSE unit plusieurs pays pour mettre

au point un logiciel de traitement d’images multi-langues (allemand, anglais, français, italien,

…) ; cette version, nommée Salsa J, est disponible gratuitement sur Internet, et augmentée

progressivement de « beaux » exercices destinés aux élèves et étudiants européens.

Elle permet de réaliser les exemples proposés ci-dessus ainsi que la conversion JPEG-FITS.

VOUS TROUVEREZ SUR LA VERSION SALSA J des tracés automatisés de spectres ; appliqués à

des systèmes binaires : 2 étoiles / une étoile, un corps sombre / une étoile, une exoplanète/ une

étoile, un trou noir… l’étude des spectres permet d’observer des variations par effet Doppler

notamment ; c’est ainsi qu’ont été détectées la plupart des exoplanètes. Suite possible: voir exercice effet Doppler.

3 FITS = Flexible Image Transfert System, format standard en astronomie (adapté à l’ensemble [tables de

données + images] 4 JPEG = Joint Photographic Experts Group, comité regroupant depuis 1986 des professionnels de l’industrie de

l’image. Point fort : taux de compression réglable

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ANNEXE 1 : Mon chat a aussi visité le radiotélescope de Nançay (Sologne)

Analyse par effet Doppler des signaux radio provenant d’une galaxie :

Les 2 « oreilles de chat » du diagramme des vitesses correspondent aux pics d’émission radio

dans les bras spiraux, qui tournent à 5 km/s autour du centre de la galaxie ; soit + 5 km/s

d’éloignement à droite et – 5 km/s de rapprochement à gauche.

TEMPERATURED’ANTE

-5 0 5 10 15 20 30 Vitesse (km/s)

1665MHz

1667MHz

Tem

pér

atu

re d

’an

tenn

e

- 5 0 +5

Vitesse ( km/s)

- 5 0 +5

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Annexe 2: HOU (Hands-On-Universe); F-HOU (France-HOU); EU-HOU (Europe-HOU)

Un groupe international recherche-enseignement

France : F-HOU

Président :

Roger FERLET

Institut d’Astrophysique

de Paris

Congrès annuels

2004 : Saint-Pétersbourg, Russie

2005 : Pékin, Chine

2006: Observatoire de Haute-

Provence, France

2007 : Tokyo, Japon

2008 : Lisbonne, Portugal

2009 : Porto-Alegre, Brésil

2010 : Munich, Allemagne

2011 : Boston, USA