Application de filtres photométriques pour mesurer

l'aspect d'étoiles rouges et bleues dans M13

Par Gilbert St-Onge et Lorraine Morin; Participation de Michel Richer et André Gendron. Été 2002


- Résumé :

- M13 en proche infrarouge, Image #2 : En filtres I, J, K, Observatoire du Mont-Mégantic du groupe OPIOMM

- Le projet M13 en filtres photométriques (Images #3 à #5)

- La Photométrie en images (Images #6 à #10)

- M13 en filtres BVRI, IR et Ha (Image #11)

- Les mesures photométriques en graphiques (Images #13 à #15)

- Considération/Conclusion

- Références

Résumé :

-Utilisation de filtres photométriques soustractifs (Kron-Cousin compatibles) U,B,V,R,I, et de filtres Ha et proche IR. Sur l'amas globulaire M13 (NGC 6205).
-Tenter de mesurer l'effet de chacun des filtres sur des étoiles prédéterminées dans M13. (3 géantes rouges de type K et une étoile plus bleue).
-Un protocole de calibration et d'analyse est développé.
-Des graphiques photométriques de l'efficacité de ces filtres sont effectués et analysés.

La lumière qui nous parvient des étoiles est particulière au type spectral de l'étoile observée. Les étoiles les plus chaudes ont une lumière bleue dominante, les plus froides sont plutôt de couleur rouge. Et cela indépendamment de leur mouvement propre qui cause des décalages des lignes (absorption ou émission) dans le spectre des étoiles.

On peut voir sur la représentation les principaux types spectraux des étoiles soit O,B,A,F,G,K,M. On peut voir que les lignes sombres (absorption) sont différentes d'un type à l'autre, par leur intensité et par leur nombre. On peut aussi constater que l'étoile de type O5 a une température de 40 000K à sa surface et qu'elle est fortement lumineuse dans la région bleue du spectre. Par contre, l'étoile de type M5 a une température de 2 800K, elle est très pâle dans le bleu, et plus lumineuse dans le rouge.

Image#1

Cette représentation des spectres est prise dans le logiciel KeplerII de Jean Vallières. vjean@videotron.ca (7)

Image #2

 Une magnifique image de l'amas globulaire M13. (8)
Cette image en filtres
proche infrarouge, I, J, K, est du groupe
OPIOMM (l'Obscur Projet d'Imagerie de l'Observatoire du Mont-Mégantic)
dont plusieurs autres images sont disponibles à l'adresse :
http://www.astro.umontreal.ca/~opiomm

Une chance de voir M13 dans le domaine proche infrarouge!!!
L'image de
M13 en proche infrarouge a été prise au télescope de 1,6m au foyer F/8,
à l'observatoire astronomique du mont Mégantic, le 27 mars 2003.
Des poses en
Filtre I = 45 s, Filtre J = 45 s et Filtre K = 90 s.
Un code couleurs est attribué à chaque filtre, puisque ceux-ci sont obscurs à nos
yeux.
Le Filtre I est codé bleu, le Filtre J est codé vert , et le Filtre K est codé rouge .


#filtre

Lambda_low (microns)

Lambda_high (microns)

Transmission

filtre I

0.763

0.953

0.90

filtre J

1.1779

1.3288

0.85

filtreK

1.9920

2.3065

0.92

Le projet M13 en filtres photométriques

C'est en feuilletant la revue Astronomy de juin 2001 page 27, 28, ¨On the trail of Lithium¨, que s'est focalisée notre attention sur 3 étoiles géantes rouges de type spectral K dans l'amas globulaire M13. (1)

Ces trois étoiles sont des souces de lithium dans leur milieu !!!. Donc on peut supposer qu'elles sont au même stade de leur évolution, et assez stables pour l'instant. Ceci nous semblait intéressant, en plus du fait qu'elles sont toutes à la même distance de nous. On a donc pu capter la lumière de trois étoiles identiques dans l'amas M13, et prendre l'ensemble de M13 sous différents filtres.

Image #3 : M13 en imagerie CCD noir/blanc, au foyer F6.3 d'un SC de 200mm d'ouverture.

Image #4 : M13 en trichomie, les filtres B,V,R, ajustés pour être compatibles au Kron Cousin.

Ces images sont prises par les auteurs du document.

Image #5

L'image du haut nous montre les étoiles références. De celles-ci, nous avons pu effectuer nos standards, en vue de la photométrie des trois étoiles géantes rouges K1, K2, K3, et l'étoile plus bleue #81.

Ces étoiles références sont tirées du travail de : The globular cluster M13 H.C. Arp & H.L. Johnson, février 28 1955. (2)

En voici les paramètres :

Les étoiles standards

# l'étoile no 11 de magnitude 15.00 (u - b = +0,18) (b - v = +0,17)
# l'étoile no 43a de magnitude 15,41 (u - b= 0,01) (b - v = +0,04)
# l'étoile no 62 de magnitude 15,49 (u - b = 0,10) (b - v = +0,06)


- Ces 3 étoiles ont servi de standards aux mesures photométriques.
- Des mesures par centroïdes dont le barycentre est à 5X5 pixels.
- L'image résultante est ajustée; le filtre duquel on soustrait l'autre filtre est ajusté pour un flux du double sur l'étoile #59. (2 - 1)
- On conserve les 3 mesures les plus lumineuses pour chaque étoile.

Les trois étoiles géantes rouges type K ont des températures de surface aux environs de 4 000K. Ce sont des étoiles géantes dont une quantité significative de matériaux se trouvent à la surface des étoiles ou autour du corps des l'étoiles.

Une grande quantité d'éléments font donc obstacle à la lumière qui s'échappe du corps de ces étoiles. Ce sont donc des raies d'absorption (sombres) que l'on doit détecter dans les spectres de ces étoiles, plutôt que des raies d'émission (+ claires).


L'efficacité des filtres 1,2,3,4 dans le spectre électromagnétique. (Spectre)

Ces paramètres tiennent compte de l'efficacité du détecteur KAF401E

La Photométrie en images.

Images #6 à 10

À gauche. Une image CCD de M13 sans l'utilisation de filtres. Cette image est telle que le CCD la détecte au foyer F6.3 d'un C11. La matrice CCD KAF41E nous permet de voir la lumière dans une plage du spectre électromagnétique comprise entre ~400nm à 1100nm.

Le filtre #1 efficace entre ~415nm et ~1100nm


Le filtre #2 efficace entre ~520nm et ~1100nm

Le filtre #3 efficace entre ~620nm et ~1100nm

Le filtre #4 efficace entre ~793nm et ~1100nm

L'efficacité des filtres B, V, R, I. IR et Ha dans le spectre électromagnétique.

Ces paramètres tiennent compte de l'efficacité du détecteur KAF401E

Filtre B (F1-F2)
~ 410nm à ~ 520nm (50%)
Transmission %
29.7019 %

Filtre V (F2-F3)
~ 517nm à 617nm (50%)
Transmission %
44.4244 %

Filtre R (F3-F4)
~ 620nm à 785nm (50%)
Transmission %
58.3495 %

Filtre I (F4)
~ 793nm à ~1100nm (50%)
Transmission %

IR RG830
830nm à 1100nm

Hydrogène alpha
656.3nm ±5


Les images résultantes de M13 après avoir appliqué les filtres soustractifs et les calibrations.

F/B = filtre B, F/V = filtre V, F/R = filtre R, F/I = filtre I, F/IR= filtre Infra-Rouge, F/Ha = filtre en Hydrogène alpha (21)

Image # 11

Les résultats des mesures photométriques des trois étoiles géantes rouges de type K et de l'étoile plus bleue #81.

Image # 12

Les étoiles à mesurer (1 et 2)

L'image de gauche montre les étoiles géantes rouges K1, K2, K3 tout près du globe principal de M13.

L'étoile bleue #81 elle, se situe loin du globe principal de M13, elle est isolée et d'une magnitude bien moins importante.

.

Les mesures photométriques en graphiques (Considération)

Ces graphiques présentent les magnitudes qui nous ont paru les plus probables pour chacun des filtres utilisés, soit dans le graph #1 : B, V, R, I. Pour chaque étoile on trouve successivement les mesures dans l'ordre bvri.

Le graphique est en magnitudes

N'oublions pas que plus la magnitude est élevée, plus l'étoile est de faible luminosité, et inversement plus la magnitude est basse plus la luminosité est importante.

Image # 13

Analyse des graphiques
Graphique BVRI :

L'étoile K1 = Le filtre B montre la magnitude la moins lumineuse, suivi du filtre V, le filtre R est dominant (émission ?), puis entre le R et le V on voit le I.


L'étoile K2 = Le filtre B montre la magnitude la moins lumineuse, et les magnitudes sont en croissance très très lente du V au I. Cette étoile est un bon standard pour le rouge et proche IR.


L'étoile K3 = Le filtre B est toujours le moins lumineux, le filtre V est dominant, puis le R moins lumineux et encore moins lumineux le I. (Pourquoi le V ?).

Les étoiles K1 et K3 ont sensiblement la même luminosité, l'étoile K2 elle est moins lumineuse.

Image # 14

Analyse étoile bleue


L'étoile # 81 (bleue) = Le filtre B est très dominant et le V le suit, le R est le moins lumineux, ce qui semble conforme à une étoile plus lumineuse dans le bleue.

Discussion :

Les étoiles K1 et K3 montrent des dominances de filtre différent, soit K1 le R et K3 le V.
Peut-il y avoir des étoiles de d'autres types ou des matières, gaz et poussières entre nous et ces étoiles, ou tout près des étoiles K1 et K3 ? Celles-ci influenceraient nos lectures pour ces étoiles pourtant de même type spectral.
- Ou ces variations observées sont-elles normales pour ces étoiles géantes qui soufflent leur atmosphère ?
- Nos lectures sont-elles correctes ou non ?
- Comment s'assurer de la précision de nos lectures ?

Image # 15

Discussion :

Le graphique des résultats à partir des filtres F/1, F/2, F/3.

Le graphique en haut montre bien une cohérence entre les magnitudes des étoiles géantes rouges K1, K2,K3. Ces trois étoiles ont une magnitude croissante du filtre #1 vers le filtre #3, qui est celui qui isole le plus le rouge.

Filtre #1 efficace entre : ~415nm et ~1100nm

Filtre #2 efficace entre : ~520nm et ~1100nm

Filtre #3 efficace entre : ~620nm et ~1100nm

L'étoile que l'on présume plus bleue, elle, est un peu étonnante. Les filtres #1 et #2 montrent une décroissance de la magnitude, ce qui est en accord avec nos attentes. Mais le filtre #3, montre une magnitude plus lumineuse que les deux autres filtres, ce qui nous semble bizarre !!!


Considération/Conclusion

- Considérant que toutes les étoiles de M13 sont à une même distance de nous. Que les étoiles à l'extérieur du globule central subissent la même extinction du milieu, par des matières interstellaires dans le plan du disque de notre galaxie, et par des possibles HVC et IVC (31 - 41) au dessus du disque galactique, entre nous et l'amas. On peut alors présumer que la méthode que nous avons utilisée, pour détecter des étoiles rouges (dans les amas globulaires), et en mesurer l'intensité, est acceptable.


- Nos observations en filtres BVRI. (Voir l'Image #13)
- Ces filtres ont une plage de sensibilité du signal lumineux qui est particulier à chacun. Ces filtres ont des plages minces et stratégiques de transmission qui permettent de détecter des propriétés physiques des étoiles, selon un standard bien établi. Donc la précision des résultats atteints avec l'utilisation de ces filtres est supérieure aux résultats en filtres à transmission très large, de type F1 à F3.

- Les résultats de nos mesures permettent d'estimer que les 3 étoiles géantes de type K, sont un peu différentes l'une de l'autre lorsque mesurées en filtres photométriques B, V, R, I. Peut-être qu'elles ont des propriétés physiques un peu différentes l'une de l'autre, ce qui peut amener les mesures à varier légèrement d'une à l'autre.

- Soit le milieu dans lequel elles sont agit sur nos mesures, ce qui se traduit par des lectures un peu différentes d'une étoile à l'autre ! La présence d'étoiles non résolues tout près des étoiles mesurées dans l'amas, ou des gaz et poussières (matière) dans l'amas ou entre nous et l'amas !

- Soit nos mesures sont un peu faussées par la méthodologie utilisée, donc une incertitude plus grande que la précision minimale acceptable pour ce type d'observation. (Ou à cause du manque de résolution spatiale à la prise des images).

- Soit nos mesures sont correctes, il serait peut-être normal de trouver des valeurs photométriques de ce genre pour ces étoiles. Après tout, pour des objets aussi distants, les variations observées d'une à l'autre ne sont pas excessives.

- L'étoile bleue #81 en filtres BVRI. (Voir l'Image #14)

- Cette étoile d'une magnitude très faible et à l'extérieur du globe de M13 semble présenter des mesures cohérentes. Elle est plus lumineuse dans le filtre B, et elle décroît en luminosité du filtre V et encore plus au filtre R. Donc il y a probablement peu de matière qui atténue la lumière de cette étoile.

- Nos observations en filtres à transmission large F1 à F3. (Voir l'Image #15)
- Les mesures effectuées à l'aide de ces filtres nous montrent bien une cohérence d'une étoile géante rouge de type K à l'autre. Les trois étoiles ont une luminosité qui augmente du filtre F1 à F3, et avec des écarts de luminosité d'un filtre à l'autre comparables pour les trois étoiles.
- On peut présumer que les grandes plages de transmission de ces filtres ne permettent pas d'observer les subtiles variations notées en utilisant les filtres BVRI. Donc les trois étoiles de même type spectral, à une même distance de nous, sont très semblables dans ces filtres.
-
- L'étoile bleue #81 en filtre F1 à F3. (Voir l'Image #15)
- Il est intéressant de constater que les filtres dominants sont le F1 et le F3, même que le F3 montre la magnitude la plus importante. Le filtre F2 est légèrement moins lumineux que les deux autres.
- Il est difficile d'interpréter ces résultats, puisque le filtre le plus efficace dans le bleu est le F1 (Filtre #1 efficace entre : ~415nm et ~1100nm), et que le filtre F3 n'est pas efficace dans le bleu (Filtre #3 efficace entre : ~620nm et ~1100nm).
- On a ici une controverse à nos résultats si clairs en filtres BVRI pour cette même étoile ?


Spectre des ondes électromagnétiques :

Consultez les lois de Kirchhoff

# Spectre continu : La matière des objets célestes (les étoiles sont des gaz sous pression élevée) peut montrer un spectre continu de toutes les longueurs d'onde, si aucun obstacle n'altère les photons entre la source et le détecteur.

# Spectre d'émission : Un gaz incandescent sous faible pression émet un spectre de raies d'émission (raies lumineuses) observable à certaines longueurs d'onde qui correspondent aux propriétés de la nature du gaz.

# Spectre d'absorption : Une source émettant un spectre continu dont les photons sont absorbés en traversant un gaz à faible pression (plus froid) laisse voir des raies sombres dans son spectre. Ces raies correspondent aux longueurs d'onde spécifiques aux propriétés du gaz absorbant. Comme une empreinte digitale correspond à une personne spécifique.

- É = Émission.

- C = Continuum.

- A = Absorption

(11) Continuum : Spectre continu (des objets célestes). Des régions du spectre électromagnétique qui ne contiennent pas de raies d'émission.

(21) Ha : Région du spectre électromagnétique correspondant aux sources d'émission de l'Hydrogène alpha, observée dans la lumière des objets célestes à 656.3nm. Bien sûr il faut tenir compte du décalage spectral de l'objet observé (Dl/l = Vr/c). Pour s'assurer que la source d'émission désirée provenant de l'objet soit bien dans la fenêtre transparente du filtre utilisé.


(31) : HVC, High Velocity Cloud. Nuages de gaz d'Hydrogène, résidus de la formation de la galaxie, ces nuages sont en chute libre de part et d'autre, ils tombent vers le disque galactique. (Il peut aussi y avoir des matériaux d'interaction entre deux galaxies, ceux-ci vont circuler un peu comme les HVC).

(41) : IVC, Intermediate Velocity Cloud. Masse de gaz provenant d'éruptions de supernovae aux limites externes du disque galactique, ces gaz ont été éjectés à l'extérieur du disque. Ils se sont recondensés et retombent vers le disque.

Références

(1) -Astronomy, Juin 2001 page 26-28 (On the trail of Lithium).
(2) -The globular cluster M13 H.C. Arp & H.L. Johnson février 28 1955.
(3) -Astronomie CCD de Christian Buil 1989.
(4) -Procédures de calibration photométrique de Alain Klotz
(5) -L'utilisation des filtres en imagerie CCD de G. St-Onge 1998
(6) -Astronomie & Astrophysique de Marc Séguin et Benoît Villeneuve 1995
(7) -Logiciel Kepler II & Coelix 2.010 de Jean Vallières
vjean@videotron.ca

(8) - http://www.astro.umontreal.ca/~opiomm, OPIOMM (l'Obscur Projet d'Imagerie de l'Observatoire du Mont-Mégantic)

- Robert Burnham,
Burnham`s Celestial Handbook An Observer`s Guide to the Universe Beyond the Solar System, Jr. Staff Member, Lowell Observatory, 1958-1979. Volume Two.
- Hans Vehrenberg,
Atlas of Deep-Sky Splendors, fourth edition. Sky Publishing Corporation, Cambridge, Massachusetts, 1983.
- John C. Vicker,
The Deep Space Field Plan, Sky Publishing Corporation, Cambridge, Massachusetts, 1989

Collaborateurs :
-G. St-Onge, L. Morin , M. Richer, A. Gendron, (2002).

Fin

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