[Star'Ex] Activité chromosphérique des étoiles et effet Wilson-Bappu

[Guillaume BERTRAND 1 649]

Bonjour à tous.tes !

Dans Star’Ex il y le mot “Star” pour étoile et “Ex” pour exploration… Alors explorons ! J’ai souhaité changer de domaine spectral pour aller voir comment se comporte le spectrographe haute résolution du coté de l’UV. Plus précisément autour des raies H & K du Calcium situées respectivement à 3968.470 et 3933.663 angströms.

Ce changement de domaine spectral est déjà un petit challenge en soi pour plusieurs raisons mais pour corser un peu l’expérience je me suis dit qu’il serait sympa d’en profiter pour faire un peu d'astrophysique. Objectif : détecter l'activité chromosphérique d'étoiles froides et estimer leurs distances à l’aide de l’effet Wilson-Bappu.
 

Dans les étoiles froides de type spectral G, K et M, les spectres hautes résolution montrent un étroit pic en émission au centre des raies de Fraunhofer H & K. Raies du calcium ionisé une fois situées dans la partie violette du spectre. Ces raies en émissions reflètent l'activité chromosphérique des étoiles. En effectuant un suivi de ces émissions dans le temps il est possible de détecter des événements ponctuelles (taches, flares etc.) ou encore de mettre en évidence la présence de cycle sur le plus long terme à l'instar de notre cycle solaire de 11 ans.

En 1957, l'américain O.C. Wilson et l'Indien M. K. Vainu Bappu ont découvert une corrélation entre la largeur de ces émissions et la magnitude visuelle absolue de l'étoile permettant donc de déduire très facilement une première approximation de la distance des étoiles froides. Approximation car en plus du risque d'erreur sur la mesure, le facteur d'erreur sur la magnitude absolue est d'environ 0.5.

 

J’ai rencontré plusieurs obstacles de ce coté-ci du spectre avec Star’Ex. Compte tenu de mon rapport f/d (=5.9) et de la formule optique du spectro plutôt optimisé pour une rapport f/d 10, le chromatisme se fait bien sentir ici. Impossible d’avoir tout le spectre correctement focalisé. Il faut trouver un compromis. J’ai choisi de faire la mise au point au niveau des raies du calcium et de sacrifier la résolution de part et d'autres de ces raies. Autre point de blocage, la calibration… Impossible avec mon système de lampe néon + fibres. Pas assez de flux pour faire sortir les timides raies de l’argon de l'ampoule néon. J’ai donc bricolé avec vielle ampoule à économie d’énergie (émettant quelques raies de vapeur de mercure) associée à 4 fibres optiques. Malheureusement seulement deux raies visibles sur mon spectre et un peu trop sur la droite pour qu’elles soient bien focalisées. Bilan : la calibration a été effectuée avec un polynôme de dispersion d’ordre un. C’est vraiment pas parfait mais au moins mon boitier de calibration m’a couté zero. Je ferais mieux pour les prochains essais.

Raies K & H du calcium. Spectre lors du réglage du spectro sur table à la lumière du jour pour centrage et mise au point de la caméra science.

 

Afin de valider le fonctionnement de Star’Ex dans ce domaine spectral, j’ai commencé par quelques étoiles brillantes : Vega, Deneb et β Lyr. Le résultat est sympa mais on voit déjà que le rapport signal bruit n’est pas constant, il est bien meilleur en allant vers le rouge. J’ai un peu du mal à évaluer la résolution des mes spectres en l’absence de raie tellurique… A vu d’œil je dirais environ 15000 ?

 

 

Les trois cibles choisies pour la détection de l’émission au coeur de la raie Ca II K sont Arcturus (α Boo), Kochab (β UMi) et HD205435 (ρ Cyg). Beaucoup de raies sur ce type d’étoiles en comparaison de mes 3 étoiles tests ci-dessus. Dans les trois cas l’émission est détectée ! Reste plus qu’à mesurer la largeur de celle-ci le plus précisément possible. J’ai effectué les mesures à l’aide sur logiciel Visual Spec.

 

 

 

En appliquant la relation Wilson-Bappu (méthode de calcul décrite ma page web) j'obtiens des résultats très proche des valeurs acceptées ! Ça donne envie de croire que ce n’est pas une simple coïncidence 🙂

https://guillaumebertrand.notion.site/Activit-chromosph-rique-des-toiles-et-effet-Wilson-Bappu-8fbe5b003949459583c63175a8658913

 

Arcturus (α Boo)

Magnitude absolue : -0.49 (la valeur acceptée est de -0.31)
Distance : 39.98 années lumière (la valeur acceptée est de 36.72 al)
 

Arcturus (β UMi)

Magnitude absolue : -0.73 (la valeur acceptée est de -0.88)
Distance : 125.62 années lumière (la valeur acceptée est de 126 al)
 

HD205435 (ρ Cyg)

Magnitude absolue : 1.22 (la valeur acceptée est de 1.07)
Distance : 118.4 années lumière (la valeur acceptée est de 123.59 al)

 

Et une petite photo du setup  :
Monture HEQ5 + Lunette SkyWatcher 72ED f/6 + ASI183MM Pro  + Star'Ex 2400tr/mm, 80x125, fente de 10 microns.

 

 

Bonne journée !

Guillaume

 

Modifié 1 août 2022 par Guillaume BERTRAND

[maxip 339]

Bravo pour cette belle exploration à partir de Starex.

je viens de finir mon Starex et j’ai la même configuration que la tienne a la caméra près (ASI178mm). je suis admiratif devant les résultats que tu obtiens avec une fente de 10 microns . Au plaisir de lire la suite de tes aventures.

Maxime

[JPMasviel 915]

C'est une belle utilisation du Star'Ex, et les résultats obtenus ont l'air très convaincants.

Merci de nous faire découvrir l'effet Wilson-Bappu, que je ne connaissais pas.

 

Ca me rappelle que j'avais fait un petit travail sur les raies H et K en 2019 avec un spectro LHIRES, un début de collaboration pro-am sur les étoiles de type F, G et K à chromosphère active:

http://astrosurf.com/jpmasviel/201905OHP/201905OHP.html

 

Jean-Pierre

 

[Guillaume BERTRAND 1 649]

Merci Maxime et merci pour les "J'aime"
 

Pour répondre à des questions que j'ai eu en privé : Ce n'est pas la largeur des raies H & K du calcium qui nous donnent une approximation de la magnitude absolue (donc de la distance). Il s'agit de la largeur du petit pic en émission au centre de la raie K. Pic en émission lié à l'activité chromosphérique de l'étoile.
La mesure de W0 est effectuée ainsi :

 

 

Puis la (WPR) relation Wilson-Bappu nous donne la magnitude absolue à partir de la relation suivante :

Mv = 33.76 - 18.08 log(W_0)

J'ai supposé dans les mesures ci-dessus qu'il n'y a pas d'extinction interstellaire.

 

Tout est expliqué ici :

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-6256/146/4/73

[Guillaume BERTRAND 1 649]

Merci Jean-Pierre
 

Oui j'avais pris connaissance d'une partie de tes excellents résultats sur la page web de Christian Buil : http://www.astrosurf.com/buil/chromospheric_activity/
Merci pour ton lien que je ne connaissais pas, je vais aller voir ça

[pierre2nice 447]

Bonjour Bertrand

 

toujours en dehors des sentiers battus, le TOP !

 

Il y a cette cible que j'avais effectué en janvier 2022, UVEX 1200tr UV fente 25m

 

 

 

 

 

Bonne continuation

 

Pierre

 

[Vincent_L 546]

ça c'est de l'astro ! belle manip, belle exploitation derrière , bravo !

[Arnaud17 528]

Bonjour Guillaume,

 

Tres interessante manip, tres instructif, et une tres belle mise en oeuvre avec un set-up accessible. Je ne connaissait pas cette relation physique. J'adore ce travail. Je pense que je vais me laisser tempter par le StarEx, en complement du Dados pour pouvoir faire ce genre de choses.

 

Un grand bravo.

 

Arnaud

[cbuil 3 459]

Très belle manip qui exploite parfaitement les capacités de Star'Ex sur un petit instrument ! La résolution est particulièrement élevée grace à l'emploi de la fente de 10 microns, et donc l'usage d'un petit imageur.

 

Il faut savoir que c'est dans le bleu que le réseau de 2400 t/mm est le mieux exploitée (rendement, effet d'incidence). C'est mon coin préféré. Et UVEX(4), présente par Pierre D,  transcende encore cette région, en allant loin dans l'UV (grace à l'usage d'optique à miroirs).

 

Le chromatisme de Star'Ex est sensible à partir de H&K dans cette configuration mais on pouvez penser que la lunette aller agraver la chose... et bien je trouve que la 72ED ce comporte vraiment bien !

 

C'est le spectre de Véga qui m'impressionna aussi toujours autant. On connais les raies de Balmer, mais là, à cette résolution,  on voit bien leurs formes et aussi des tas de raies métalliques. Ca me fascine toujours autant que l'on puisse faire cela en amateur, malgré des années et des années de spectro au compteur. C'est de la belle astrophysique à notre portée.

 

Christian B

[cbuil 3 459]

Parmi les étoiles de type solaire présentant une forte émission dans les raies H&K du calcium ionisé (et donc une forte activité dans la chromosphère), il y a la brillante étoile lambda And, ici observée avec un Star'Ex équipé du réseau de 2400 t/mm standard, mais dans lequel le traditionnel objectif de 125 mm (celui employé par Guillaume) est remplacé par un objectif de 80 mm de focale seulement, celui dévolu à la basse résolution en principe :

 

 

L'émission est bien visible au centre des raies H et K, mais avec une finesse des raies inférieure aux spectres de Guillaume car j'ai utilité une fente de 23 microns de large au lieu de 10 microns. La raison est que j'ai ici monté Star'Ex derrière une RC de 10 pouces f/8, soit une focale d'un peu plus de 2 mètres.

 

Par ailleurs, la raison du choix d'une focale de 80 mm au lieu de 125 mm vient du fait que je teste actuellement une version "non officielle" de Star'Ex avec un objectif de 80 mm que j'ai spécialement étudié pour capturer avec une plus grande régularité de finesse des raies dans le bleu et le proche UV (ce nouvel objectif accroit aussi la qualité des spectres en basse résolution avec un réseau de 300 t/mm, c'est même la raison première de ces expérimentations). Je pense Guillaume, fin utilisateur de Star'Ex,n  que tu va apprécier l'extension dans l'UV du spectre de lambda And, que je montre ici dans sa globalité :

 

 

 

Je capture avec une bonne netteté jusqu'à 3620 A. Avec un spectrographe équipé de lentilles et de ce prix, c'est une belle performance. Je suis content de mon calcul optique.  C'est la première fois que je présente ce résultat Star'Ex. Pour l'usage optimum prévu ici, le domaine spectral pourra aller de 3600 à 4040 A environ avec cette résolution de 4000 environ. En dessous de 3600 A, l'absorption des verres devient trop sévère. On est donc loin des performances d'un UVEX, capable de donner un spectre net jusqu'à 3300 A, voir même 3200 A (en dessous, c'est l'atmosphère terrestre qui coupe). UVEX donne aussi plus de lumière, car constitué de miroirs.

 

Cependant, en arrivant avec Star'Ex vers 3600 - 3620 A, on couvre la limite de Balmer (3646 A), ce qui est d'une grande importance astrophysique (observation du saut de Balmer dans les étoiles chaudes par exemple). Voici ce que cela donne sur le spectre de Deneb (comparer avec le spectre de Guillaume) :

 

 

 

Ou encore de l'étoile P Cyg (voyez comment les raies sont nettes sur tout le domaine spectral couvert, alors que j'utilise des lentilles, potentiellement victimes d'un fort chromatisme dans l'UV) :

 

 

Je parle ici de version "non officielle" de cette extension de Star'Ex car elle n'est pas encore disponible, seulement fin septembre - début octobre probablement. Ceci est une avant première.

 

Christian B

 

 

Modifié 10 août 2022 par cbuil

[Guillaume BERTRAND 1 649]

Merci pour vos commentaires Pierre, Vincent, Arnaud et Christian

@pierre2nice Top ton spectre de hd22468 ! Les pics en émission dans les raies H & K sont vraiment énormes...

@cbuil Ah mais tu ne t’arrête jamais ! C'est génial cette version optimisée Star'Ex

MERCI de continuer d'étendre les possibilités déjà infini de ce spectro. Ça va nous ouvrir plein de nouvelles perspectives, notamment pour aller plus loin en spectropolarimétrie dans le bleue avec des régions denses en raie du fer et du chrome (raies avec des "gros" facteur de Landé). Cette version m'intéresse beaucoup ! J'ai hâte qu'elle soit dispo Elle sera commercialisée par Shelyak je suppose ? Sur tes légendes tu indiques "Starex 300 VIS l/mm", je ne comprends pas bien ? Les acquisitions sont bien avec le réseau 2400 l/mm ici non ?

 

Excellent les résultats que tu obtiens avec cette config, la résolution semble effectivement très bonne et constante sur une belle plage de longueur d'onde ! Au passage, en les regardant bien je remarque que je suis (encore) dans les chou  avec ma RI calculée à partir de mon spectre de Vega et que mes spectres au delà 4050 A ne sont pas vraiment exploitables (j'aurais du "cropper" un peu plus) j'ai eu du mal à trouver un spectre de référence haute résolution pour ce domaine spectral. Tu conseilles quoi ?

Je remarque aussi en voyant le spectre de Deneb que ma résolution doit être bien inférieur à ce que je pensais (je m’était dit 15000... mais je doit plutôt être entre 8000 et 10000). Tu as étalonné a partir de quelle source de lumière ? mode latéral ?

Bonne aprem,

Guillaume

 

 

[cbuil 3 459]

Plein de questions Guillaume, interressentes, qui demanderaient un long développement. Très vite...

 

Oui, le spectre de Pierre DUBREUIL est vraiment bien, et il montre la capacité de UVEX. Sur des symbiotiques, il y a un vrai potentiel scientifique, notamment. 

 

Pour ce qui concerne, Star'Ex, il y a en effet une boulette dans le titre et tu as rectifié : il faut bien lire 2400 t/mm au lieu de 300 t/mm (malheureux couper-coller).

 

Spectropolarimétrie dans l'UV, non malheureusement (je pense). En effet, l'efficacité de nos polariseurs et lames quart d'onde est optimale pour la partie visible du spectre. Dans l'UV et dans l'IR, ces polariseur polymère perdent leurs propriétés, à moins d'avoir été calculé pour. Faudra bien faire attention avec cela.

 

Oui cette version devrait être commercialisée par Shelyak, j'insiste pour. Ce sera sous la forme d'un petit kit dédié à la spectro basse résolution dans le visible (mais on le voit, aussi utilisable en haute résolution ;-)). Il y aura aussi un kit quasi jumeaux prévu pour l'infrarouge, avec là encore un objectif spécialement optimisé et un réseau 300 t/mm spécial IR + filtre d'ordre, qui donne des résultats sympa. Dans les deux cas, il y aura une surprise agréable en plus, mais je ne peux pas en dire plus. Tout cela sera proposé au début de l'automne je pense (je ne maitrise pas tout).

 

Pour la réponse instrumentale ce n'est jamais très simple, on le sais. Ton résultat n'est pas vraiment catastrophique en vérité. Pour ma part, ma technique est relativement simple (je me sert encore de ISIS pour cela). Je me sert du spectre de Véga que l'on trouve dans la base CALSPEC (data base de ISIS). Ce spectre est fortement moins résolu (R=800 environ), mais je m'en sort quant même. Pour cela je dégrade très fortement la résolution du spectre de Vega que j'ai observé avec l'outil "Filtrer" de ISIS (curseur à 12 au moins), de manière à me ramener à la résolution du spectrale de CALSPEC. Ce n'est alors que je fais le rapport des deux pour obtenir une réponse, sur laquelle j'enlève quelques aspérités.

 

Au final, voici ma réponse instrumentale avec la configuration Star'EX 80x80(new) et réseau de 2400 t/mm :

 

 

Comme on peut le constater, cette courbe de réponse est très lisse, très régulière (et précise en fait). L'un des truc crucial est de bien calculer son flat-field. J'utilise pour cela une lampe mini lampe krypton d'éclairage de table de bord (Conrad) et j'éclaire la fente d'entrée avec un diffuseur sur table. Je dis bien sur table ! Je crois que plus jamais je n'utiliserais un gros écran LED ou des spot halogène la nuit devant mon télescope : c'est lourd; contraignant. Même si cela fonctionne (c'est la méthode "officielle'" je préfère à présent de loin naitre les flat sur une table de jour bien au calme et un petit montage qui pèse 50 grammes (je montre cela sur mes dernière vidéo, notamment celle consacrée à la comparaison ASI183MM/ASI533MM).

 

Dans specINTI, j'utilise la commande PLANCK: 2900. Si j'avais utilisé PLANCK avec 2700, je suis sur que j'aurai trouvé une réponse encore plus plate (rappel la forme de la RI dépend de la température de couleur de la lampe utilisée pour le flat, avec la commande Planck de specINTI, je tiens compte de cette température de couleur.

 

Divine surprise, avec ces petites lampes krypton, j'ai encore assez de signal (mais faible) pour faire le flat-field jusqu'à 3620 A (et peut être 3600 A) - en deça c'est l'optique de Star'Ex qui coupe et aussi le manque de photons.

 

Au passage, j'utilise ici une ASI533MM.

 

Pour l'étalonnage spectral j'ai utilisé les raies de Balmer de Véga pour trouver le polynôme de degrés. Ca marche très très bien car il y a énormément de raies de l'hydrogène bien répartie (précision de 0,03 A dans mon cas à R=4000). Je suis sur que ce document va tous vous intéresser, que j'ai établi pour UVEX(3)(4) mais qui peut servir aussi pour Star'Ex :

 

 

Je trouve ansi les deux premiers terme du polynôme de dispersion (degrés 2). Pour avoir le terme contant du polynôme (décalage spectra)l, à chaque étoile j'utilise le spectre d'une lampe basse consommation que je met devant le tube du télescope (c'est très intense, la pose est de l'ordre de la seconde !). Je me sert d'un ou plueisrs raies du mercure pour recaler le spectre en longueur d'onde (translation). Pour ceux qui sont familier avec specINTI (je recommande), j'étalonne ici avec le mode 2, et alors vous avez tout compris. Cela ne ma pris qu'un quart d'heure pour établir le fichier de configuration de specINTI editor, et à present, c'est définif, presque pour la vie !

 

Pour le fun, un autre spectre fait avec le 80x80(new) et 2400 t/mm + centre 23 microns, beta Lyre à travers les nuages (fait pas beau sur la Cote d'Azur la nuit en ce moment, si je vous assure !) - bien remarquer que je ne suis tout de même pas aller ici au dessus de 4050 A - Star'Ex ne s'appelle pas UVEX - donc le domaine de netteté est nécessairement restreint, malgré les efforts) :

 

 

 

Et comme on est entre-nous, en avant première des spectres infrarouge avec l'optique spéciale IR (le but était d'avoir à la fois Halpha et l'IR simultanément net, pas possible avec l'optique standard actuelle). Des planètes :

 

 

 

 

 

 Gamma Cas :

 

 

 

Pour qui aime la spectro, ou va aimer, il y a de quoi faire (et je rappelle qu'à la base il s'agit d'un instrument solaire que l'on converti à loisir) !

 

Bon, je m'aperçoit que j'ai été un peu long Guillaume ;-)

 

Christian

 

 

[Guillaume BERTRAND 1 649]

il y a 46 minutes, cbuil a dit :

Bon, je m'aperçoit que j'ai été un peu long Guillaume ;-)

Ahah c'est parfait ! Ce post est une vraie mine d'information.  MERCI d'avoir pris le temps Christian ! J'ai tout copié collé dans mon petit bloc note spectro Les spectres planétaires dans l'IR sont impressionnants ! Je n'ai plus de repaire de ce coté ci du spectre... encore un nouveau monde a découvrir.
 

il y a 49 minutes, cbuil a dit :

Spectropolarimétrie dans l'UV, non malheureusement (je pense). En effet, l'efficacité de nos polariseurs et lames quart d'onde est optimale pour la partie visible du spectre. Dans l'UV et dans l'IR, ces polariseur polymère perdent leurs propriétés, à moins d'avoir été calculé pour. Faudra bien faire attention avec cela.

Oh oui, je n'avais pas du tout pensé à cela (mes compétences en optique sont très limité... j'apprends) !
Merci pour l'information. Je referais surement des tests de spectropola avec plus de raies mais je resterais dans le rouge alors.

Oleg Kochukhov m'a fourni des atlas (de 4500 à 6600 A) des paramètres de Stokes pour Alpha2 CVn et Beta CrB il y a aussi de quoi faire en allant un tout petit peu vers le bleu non loin de la raie h-alpha.

Et si Shelyak passe par la, je suis client pour le 2 kits

Bonne fin de journée !
Guillaume
 

[frank-astro 4 685]

Pfff, je suis vraiment admiratif des résultats même si je suis un peu paumé dans les explications.

Bravo !!!

[Guillaume BERTRAND 1 649]

Merci @frank-astro

C'est un peu à cause de toi que j'ai fini par me lancer dans ce domaine haha, tu m'as parlé de Sol'ex lors de l'AG de l'asso en 2021... Ça m'a motivé, depuis je ne pense plus qu'à ça... 

 

 

[frank-astro 4 685]

@Guillaume BERTRAND Heu, je ne suis pas responsable si tu ne penses plus du tout à ta famille

[frank-astro 4 685]

Mais plus sérieusement, je suis admiratif des résultats vu le matériel utilisé. Tu as dû et tu dois passer pas mal de temps à travailler sur ce sujet car honnêtement, mais en deuxième lecture, je ne te ferais pas un résumé...

[Guillaume BERTRAND 1 649]

 @frank-astro

Frank, oui j'y passe beaucoup de temps.

Je lit beaucoup d'articles scientifiques (que je ne comprends pas forcément ) et je glane le max d'info sur le sujet sur le net. C'est vraiment très très dense, vaste. Beaucoup de possibilités, plein d'informations dans tous les sens... C'est assez facile de s'y perdre au début ! 

Mais Christian (et aussi Valérie pour une partie du logiciel) a fait du super boulot avec Sol'ex puis Star'ex. Ça permet d'entrer en douceur dans ce monde. 

 

 

[cbuil 3 459]

Je ne suis pas hyper bien placé pour dire cela, mais je confirme ce que dit Guillaume. Le sujet ne dois pas faire peur, car il est techniquement moins complexe qu'on ne pense. Je crois que faire une belle image du ciel en photographie demande plus de compétences et parfois de moyens. En ce qui me concerne, prendre le spectre d'une galaxie et mesurer sont décalage vers le rouge m'appaiait plus difficile que réaliser une image "présentable" de la même galaxie.

 

La spectro c'est comme un langage. Il faut l'apprendre, comme tout. Mais le vocabulaire n'est pas très compliqué  et il y a des points commun avec l'astronomie "traditionnelle". Suffit d'oser se lancer, il y a de la doc et des gens qui peuvent aider, et après on se prend au jeu.

 

Un truc qui m'impressionne toujours : je ne crois pas connaitre un amateur qui est passé à la spectro (et j'en connais pas mal), même en venant de l'astrophotographie, qui a fait machine arrière. C'est un signe. Le sujet est prenant et plein de découvertes, pas obligatoirement scientifiques, mais personnelles. C'est magnétique. Ce que fait Guillaume, en lisant des articles, même pas toujours simples à décoder, même si on ne saisi que 10%, est une des techniques, la mienne aussi. Et là on s'aperçoit que la norme en astronomie ce n'est pas la photographie, mais la spectrographie. Je vous souhaite de faire un jour ce même parcours !

 

Christian