Club d’Astronomie de Lyon Ampère

Attention ... Saturne !

mardi 9 octobre 2007 par Emilie Jourdeuil

Le projet des jeunes du CALA pour l’année 2007 avait pour but de déterminer la vitesse de rotation de Saturne par son étude
spectroscopique. La présence du LHIRES III ainsi que la compétence et la disponibilité d’Olivier Thizy, François Cochard et
Olivier Garde, étaient en effet une occasion rêvée pour réaliser un tel projet. Entre activités pratiques et théoriques, voici le fruit
de notre travail.

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 :

 {\Delta \lambda \over \lambda} = {\Delta v \over c}

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

 \Delta v = {c . \Delta \lambda \over \lambda}

soit :

 \Delta v = {3.10^8  x 7 x 0.115 \over 6550}

 \Delta v = 36.84 km.s-1

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 :

 \Delta v = 9.21 km.s-1

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 !


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