Polarimétrie de la Nébuleuse du Crabe M1

Voici les résultats d'une observation de la Nébuleuse du Crabe (M1) en lumière polarisée.

Théorie

La Nébuleuse du Crabe est le reste de l'explosion d'une supernova qui a eu lieu il y a environ un millénaire. De la matière a été éjectée, et l'étoile à l'origine de l'explosion a été transformée en une étoile à neutrons, en rotation rapide au centre de la nébuleuse. C'est là l'origine du fameux Pulsar du Crabe.
Tout autour de la Nébuleuse on observe des filaments de gaz chaud excité. Plus proche du centre, des électrons de haute énergie, accélérés par un très fort champ magnétique (produit par l'étoile à neutrons), émettent un rayonnement synchrotron.
Ce rayonnement synchrotron est visible et fortement polarisé: le but de cette observation est de le mettre en évidence grace à sa polarisation.

La manip

Elle est tout à fait simple: la caméra CCD est au foyer du T60, et l'on place juste devant un filtre polarisant linéaire. Le filtre utilisé est un filtre dont on se sert en photographie pour "éteindre" certains reflets ou assombrir le ciel. On l'a muni d'un petit cercle gradué afin de connaître les angles relatifs de polarisation.
Le rôle du filtre polarisant linéaire est de "sélectionner" la lumière dont la vibration correspond à un angle donné.

L'observation consiste à faire plusieurs séries d'images à des angles différents. Nous avons fait 20 images de 30 secondes en binning 2x2 selon quatre angles successifs séparés de 45°. Nous avons donc après traitement quatre images prises avec des angles relatifs de 0°, 45°, 90°, 135°.

Les résultats

Tout d'abord, afin de saisir l'effet du filtre polarisant, voici ci-contre une animation montrant les quatre images successives: on voit clairement que la luminosité des étoiles ou de certaines parties de la nébuleuse ne change pas, tandis que d'autres parties de la nébuleuse (polarisées) s'éteignent ou s'allument lorsque l'angle du filtre varie.

On détecte donc bien la polarisation présente dans la nébuleuse.


Animation entre 4 angles de polarisations successifs à 45° (0°,45°,90°,135°)

 

La trichromie "simple"

Voici une autre manière de mettre en évidence la polarisation de la nébuleuse: on sélectionne trois des quatre images et on leur affecte à chacune une couleur (Rouge, Vert, Bleu). On obtient une image colorée dont les variations de couleur sont le reflet des différences de polarisation.

Ci-contre, une image de la nébuleuse issue de trois images d'angles relatifs Rouge:0°, Vert:45°, Bleu:90°.

Ci-dessous, quatre images basées sur le même principe, en utilisant des combinaisons d'angles différents. De plus, afin d'obtenir une image colorée plus agréable à l'oeil, on a utilisé la technique LRVB: les trois couleurs (R, V, B) proviennent de nos images polarisées, tandis que la structure (l'image de luminance L) provient d'une image plus définie: ici c'est une image de M1 issue du BT-Atlas.

 


Angles relatifs R:0°, V:45°, B:90°

 


Angles relatifs R:135°, V:0°, B:45°

 


Angles relatifs R:135°, V:90°, B:45°

 


Angles relatifs R:90°, V:135°, B:0°

La trichromie "par soustraction"

Ici, on va utiliser toutes les quatre images pour composer une seule image couleur. Pour celà, on va réaliser des soustractions entre les quatres images d'angles 0°, 45°, 90°, 135°.

Voici le type d'opérations effectuées:

  • Image Rouge = (image 45°) - (image 0°)
  • Image Verte = (image 90°) - (image 0°)
  • Image Bleue = (image 135°) - (image 0°)

Ainsi, les détails de la nébuleuse non polarisés, tels que les filaments, disparaissent, et ne reste que l'indication de la polarisation de la matière.

Ci-contre, une image de Malin et Pasachoff utilisant cette technique.

 


Image 1990-2002, Malin/Pasachoff/Caltech, Photograph from Hale 5m plates by David Malin... avec l'aimable autorisation de l'auteur.
http://www.aao.gov.au/images/captions/crab_pol.html

Ci-contre, la combinaison de nos images: on retrouve bien les mêmes structures et couleurs que sur l'image réalisée par David Malin, avec notamment une symétrie évidente de la source du rayonnement synchrotron (liée au champ magnétique intense produit par l'étoile à neutrons).

Ci-dessous, la comparaison entre les deux images:

 


Image T60 - Pic du Midi

Carte de polarisation

Enfin, il est possible, grace au logiciel IRIS, de réaliser une cartographie de la polarisation au sein de la nébuleuse.
On utilise pour cela la commande POLAR2:

>POLAR2 [0] [45] [90] [135] [DEGREE] [ANGLE] [SCALE]

Cette commande utilise les quatre images à 0°, 45°, 90°, 135°, et fournit deux images contenant les respectivement le degré de polarisation (en %) et l'angle de polarisation (en °).

Ces deux images sont ensuite utilisées dans la commande POLAR_CARTO afin d'obtenir une cartographie de la polarisation:

>POLAR_CARTO [DEGREE] [ANGLE] [STEP] [SCALE]

Le résultat est une image comportant de petits segments dont l'orientation correspond à l'angle de polarisation et dont la longueur est proportionnelle au degré de polarisation.

Sur l'image ci-dessous, on a superposé cette image de cartographie de la polarisation à une image en fausses couleurs de la nébuleuse.


La nébuleuse du Crabe est l'un des objets les plus polarisés du ciel, ce qui fait d'elle une cible de choix. Néanmoins, d'autres objets peuvent être imagés avec cette technique, tels que la nébuleuse de la Rosette, la nébuleuse Oméga, etc...