Spectrographic observation of the solar chromosphere
Observation spectroscopique de la chromosphère solaire
The Sun chromospheric observation described here is conducted through the use of a spectrograph in the H-alpha light (red hydrogen line at 6563 angstroms). The entrance slit of the spectrograph is set tangent to the Sun's disk. The sunlight entering the slit is dispersed by the spectrograph diffractive grating and, therefore, greatly weakened. Simultaneously, the H-alpha monochromatic light is not dispersed. So, the contrast of the single wavelength chromospheric details is greatly increased.
L'observation de la chromosphère solaire qui fait l'objet de cette page a été réalisée dans la lumière rouge de la raie de l'hydrogène (6563 angstroms) avec un spectrographe. La fente d'entrée du spectrographe est placée tangente au disque solaire. La lumière entrant dans cette fente est dispersée par le réseau à diffraction et se trouve alors grandement atténuée. En revanche, la lumière monochromatique de la raie H-alpha n'est pas dispersée. Aussi, le contraste de la chromosphère est fortement accentuée et devient visible.
Information about the spectrograph used are here.
Des informations sur le calcul du spectrographe utilisé sont disponibles ici.
The instrumental parameters of the adapted version for this observation are:
The telescope is a FS-128 (5-inch aperture) Takahashi refractor limited at the aperture of 50 millimeters (F/D=20.8 optical beam). No neutral density filter used. The webcam images are acquired at the format 320x240 and at 30 frames per second. The pixel sample of the image for this format is 11.2 microns x 11.2 microns. The spectral dispersion at the H-alpha level is of 0.94 angstroms/pixel or 84 angstroms/mm.
L'instrument est une lunette FS-128 Takahashi dont l'ouverture est limitée à 50 mm par un diaphragme (pas de filtre neutre d'atténuation utilisé). Les images webcam sont acquises au format 320x240 à la cadence de 30 images par secondes. La taille des pixels dans ce format est de 11,2 microns x 11,2 microns. La dispersion spectrale au voisinage de la raie H-alpha est de 0,94 angstroms par pixel ou de 84 angstroms/mm.
The image below is characteristic of research phase of prominences around the solar limb. The slit is very narrow (about 10 microns width).
L'image ci-après est caractéristique
de la phase de recherche des protubérances tout autour du limbe solaire. La
fente est ici très étroite (10 microns de large).
The H-alpha line appear as an absorption line (darken) when the slit intercept the photosphere. When the photosphere is blocked by the slit jaw wee see the H-alpha line "reversed" (bright aspect relative to the dark background). The transversalium is the result of microscopic irregularity along the slit jaws.
La raie H-alpha apparaît en absorption (en noir) là où la fente intercepte la photosphère. Quant la photosphère est bloquée par les lèvres de la fente la raie H-alpha s'inverse (elle devient brillante relativement au fond de ciel). Le transversalium est le résultat d'irrégularités présentes le long des lèvres de la fente.
For the next image the slit is very tangent to the solar limb. The slit is enlarged to 0.28 millimeter.
Pour l'image suivante la fente est quasiment tangente au limbe solaire. Elle a été élargie à 0,28 millimètres.
The image below is the result of the median stack of 100 elementary B&W webcam frames. The prominences are clearly visible in this north-eastern region of the limb. Date of the acquisition: 12.44 December 2002 UT. Castanet-Tolosan (France) :
L'image ci-après est le résultat du compositage de 100 images élémentaires acquises directement en format FITS avec Iris. Les protuberances sont clairement visibles dans la région nord-est du bord solaire analysé ici. Date d'acquisition : 12,44/12/2002 à Castanet-Tolosan :
Another region of the north-eastern solar's limb (the entrance slit is 0.50 mm wide) :
Une autre région du secteur nord-est du limbe solaire (la largeur de la fente d'entrée est de 0,50 mm) :
For comparison, below, part of a choronographic image taken the 12.46 December 2002 at the Pic-du-Midi H-Alpha Coronograph by the Observateurs Associés group (credit : les AO - Pic-du-Midi Observatory, see also the BASS2000 data base). Click here for a full version of this image. The curvature radius of the sun arc and scale are very similar to the FS-128 images. The big difference: the instantaneous field of view of the spectrograh cover only a small part of the chromosphere. For analyse another point of the solar limb it is necessary to rotate the spectrograph relative to the optical axis of the telescope.
Pour comparaison, ci-après une partie d'image de la chromosphère réalisée avec le coronographe H-Alpha du Pic-du Midi obtenues par les membres des Observateurs Associés le 12,46 décembre 2002 (crédit : les AO - Observatoire du Pic-du-Midi, voir aussi le base de donnée BASS2000). Cliquer ici pour une version complète de cette image. Le rayon de courbure de l'arc solaire et l'échelle sont très similaires aux images FS-128. La grande difference : la spectrographe ne montre dans une vue instantanée qu'une petite portion de la chromosphère. Pour observer d'autres région du limbe il est nécessaire de faire tourner le spectrographe autour de l'axe optique du télescope.
For a 23 years old age similar observation (photographic technology of course !), click here...
Pour une observation similaire, vieille de 23 ans (en technologie photographique bien sur !), cliquer ici...
At the spectral dispersion of 84 angstroms/mm, the measured ratio during this session between the continuum background intensity at the H-alpha vicinity and the typical chromospheric intensity is of 6. This information is very important for the future construction of a compact and very simple spectroheliograph...
Avec une dispersion spectrale de 84 angstroms/mm, la valeur mesurée durant cette session entre le rapport de l'intensité du continuum au voisinage de la raie H-alpha et l'intensité typique de la chromosphère est de 6. Cette information est très importante pour la conception future d'un spectrohéliographe compact et très simple...
Here my first tentative scan of Sun surface through the H&K lines of CaII with the ToUcam webcam and the spectrograph described in this page. The entrance slit is now very narrow (near 10 microns wide). The image below show five webcam images of a scanning sequence of 715 frames. You can see the fugitive transit of a sunspot. For this, the drive of the telescope is stopped (FS-128 at the 2-inch aperture).
Voici ma premiere tentative de balayage continu de la surface solaire au travers des raies H&K du Calcium avec la webcam ToUcam et le spectrographe décrit dans cette page. La fente d'entrée est cette fois très étroite (de l'ordre de 10 microns de large). L'image qui suit montre 5 vues d'une séquence d'acquisition continue de 715 images. On peut y voir le passage fugitif d'une tache solaire devant la fente. Pour cela, l'entraînement du télescope a été arrêté (lunette FS-128 diaphragmée à 50 mm).
After image processing geometric corrections (rotation, smile effect, scaling), the column corresponding to the analyzed part of spectrum of each 715 frames are assembled, column by column, into a single image (SCAN2PIC command in Iris 3.81). The next images present the result.
Après la correction géométrique des images (rotation, effet de smile, changement d'échelle), la colonne correspondant à la partie analysée du spectre dans chacune des 715 vues est assemblée, colonne après colonne, dans un image unique (commande SCAN2PIC dans Iris 3.81). Les images suivantes montrent le résultat.
From left to right, (1) a continuum scan, i.e. classical photosphere view of the Sun (note sunspots), (2) a CaII H line spectroheliogram (note facular plage), (3) a CaII K line spectroheliogram. The spectral bandwidth is of 1 angstrom (0.1 nm). A light unsharp mask was applied to the images. Date of the observation: 15.45 December 2002 UT.
De gauche à droite, (1) un balayage dans le continuum, c'est à dire que l'on voit une image photosphérique traditionnelle du Soleil (noter les taches), (2) un spectrohéliogramme dans la raie CaII H (noter les plages faculaires caractéristiques de la chromosphère), (3) un spectrohéliogramme dans la raie CaII K. La bande passante spectrale est de 1 angstrom (0,1 nm). Un léger masque flou a été appliqué pour accroître le contraste. Date de l'observation : 15,45 décembre 2002 TU.
Below, a white light scan of the Sun for the date December 21.39, 2002 UT:
Ci-dessous, un scan en lumière blanche du soleil le 21,39 décembre 2002 TU :
For the same date, an H-alpha scan. The ToUcam webcam is used at the definition 640x480. The spectral bandwidth is near 0.7 angstrom per pixel sample, but the sky was very cloudy (cirrus haze) and the contrast is not high for this very first hydrogen red line scan tentative (click here for a comparison H-alpha Learmonth Observatory image - see also http://www.sec.noaa.gov/today.html).
Pour la même date, un scan H-alpha. La webcam ToUcam est utilisée pour l'occasion à une définition de 640x480. La bande passante spectrale est proche de 0,7 angstrom, mais le ciel était couvert d'un voile diffus de cirrus qui a empêché d'avoir un bon contraste pour ce tout première essai d'imagerie du Soleil dans la raie rouge de l'hydrogène (cliquer ici pour une image H-alpha de comparaison venant de l'observatoire Learmonth (Australie) - voir aussi http://www.sec.noaa.gov/today.html).
This high contrast reproduction of the scan show some small prominences (arrows):
Une reproduction à haut contraste montrant de petites protubérances sur le limbe (flèches) :
Below, for the date 2002/12/24 at 14:05UT, respectively white light image, H-alpha image and Calcium K line image.
Ci-après, pour le 24 décembre 2002 à 14h05 TU, respectivement l'image en lumière blanche, l'image H-alpha et l'image dans la raie K du calcium :
This studies demonstrate the efficiency of a fast 2D detector for observe Sun's chromosphere. The concept is inexpensive, does not require a specific camera (i.e. linear CCD detector) and facilitates considerably the adjustment of the instrument. We hope to dispose in little time of an economic camera CMOS having a dynamics better than that the standard webcam, which will still improve the result. But, these present results, very preliminary, are already extremely encouraging!
Cette étude démontre la possibilité d'exploiter un détecteur 2D à acquisition rapide (webcam) pour observer la chromosphère solaire. Le concept est peu coûteux, ne nécessite pas une caméra spécifique (pas de détecteur CCD à barrette) et facilite considérablement le réglage de l'instrument par rapport à un spectrohéliographe traditionnel. Nous espérons disposer dans peu de temps d'une caméra CMOS économique ayant une dynamique meilleure que celle des webcams standards, ce qui améliorera encore le résultat. Mais, les présents résultats, très préliminaires, sont déjà fort encourageant !
Here a description of my very first spectroscopic observation of Sun chromosphere (1979)
