Spectre en absorption : mesure de la densité de colonne

Auteur: Cecilia Pinto

Procédure : observations FUSE

Recherche du spectre et identification d'une raie optiquement mince : On s'intéresse au spectre montré dans l'image Spectre en absorption. Il s'agit d'un spectre de l'étoile HD 34078 obtenu par le satellite FUSE. Cette ligne de visée a permis la détection en absorption de nombreuses espèces moléculaires, ce qui atteste de la présence d'un nuage interstellaire en cette direction. À l'exception des raies de H₂ et de l'Ar explicitement notées, l'image montre des raies de l'hydrogène moléculaire qui correspondent à des transitions Lyman. Les nombres quantiques et J du niveau d'énergie inférieur de ces transitions sont également affichés en haut de la figure. En suivant la procédure décrite dans la page précédente, charger les données spectrales FUSE (Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer) disponibles pour la cible HD 34078. Ajuster les unités de mesure des axes et visualiser les spectres dans le même intervalle de longueur d'onde du spectre montré sur la figure . La richesse de ces spectres les rend difficiles à analyser, en particulier en ce qui concerne l'identification des raies. Le logiciel VoSpec fournit un outil d'exécution d'opérations arithmétiques sur les spectres. On peut notamment sommer des spectres afin de maximiser le rapport entre le signal observé et le bruit instrumental. Cet outil s'active en cliquant sur la première icône qui apparaît dans la barre des outils de la fenêtre de contrôle. Une fenêtre de calcul s'affiche et il faut y déplacer les spectres à sommer, en interposant le symbole +, et enfin appuyer sur le symbole =. Une nouvelle liste, appelée ADD, apparaît en bas de celle des spectres extraits. Il faut la déplier, cocher la case du nouveau spectre calculé et valider avec View pour visualiser le résultat.
Outil de correction du décalage vers le rouge : Nous avons mentionné (voir la page Profils de raie associés aux mouvements d'ensemble d'atomes et de molécules) que la présence de mouvements d'ensemble au sein des objets observés induit, par effet Doppler, un décalage vers le rouge du centre des raies observées. VoSpec permet de corriger cet effet par l'insertion de la valeur du décalage dans la case RedShift à gauche de la fenêtre de contrôle. Une fois la longueur d'onde au repos de la transition ( $\lambda_{0}$ ) connue, on peut évaluer le décalage par différence entre la valeur de la longueur d'onde du centre de la raie $\lambda_{obs}$ et la valeur à repos : $z=\frac{\lambda_{obs}-\lambda_0}{\lambda_0}$ (se rappeler que la valeur de la longueur d'onde à différentes positions du spectre s'affiche en bas à gauche en suivant le déplacement du curseur dans la fenêtre de visualisation). La correction s'applique en cochant la petite case à côté de la case Redshift et en visualisant à nouveau le spectre.
Outil de calcul de la largeur équivalente : VoSpec permet le calcul interactif de la largeur équivalente d'une raie spectrale. La raie d'intérêt étant sélectionnée par la fonction de zoom, on active la fenêtre Analysis Tools en cliquant sur la sixième icône de la barre des outils de la fenêtre de contrôle. On choisit la fonction Equivalent Width et on appuie sur la commande Calculate afin d'obtenir la valeur de la largeur équivalente.

Spectre en absorption observé par le satellite FUSE

Le flux F en ordonnées est exprimé en unités de 10^-11 erg cm^-2 s ^-1 $\mathring{A}$ ^-1.

Crédit : Boissé, P. et al. A&A 429, 509, 2005

Densité de colonne d'une raie d'hydrogène moléculaire dans le spectre de HD 34078

Les raies spectrales montrées sur la figure occupent des positions différentes sur la courbe de croissance décrite en détail dans la page Raies en absorption. . Les raies de basse énergie sont lorentziennes et, bien que saturées, leur profil est indépendant de la largeur Doppler $\Delta_{\nu_D}$ . Elles fournissent donc une mesure de la densité de colonne, la largeur naturelle de la raie ( $\gamma_{ul}$ ) étant connue. Par contre, les raies issues des niveaux compris entre v=0 , J = 4 et v=0 , J = 9 sont saturées et non lorentziennes, elles se situent donc sur la partie plate de la courbe de croissance. La connaissance de la largeur Doppler est alors un élément indispensable à la détermination des densités de colonne. Pour les niveaux d'énergie supérieure à v=0 , J = 9, il est possible de trouver dans le spectre des raies optiquement minces et d'en déduire la densité de colonne directement à partir des largeurs équivalentes. On s'intéresse donc à la raie spectrale optiquement mince correspondante à la transition v=0 , J = 10, dont la longueur d'onde à repos vaut $\lambda_0=$ 1045.051 $\mathring{A}$ et la force de l'oscillateur 1.47x10^-2. Noter que le centre de la raie peut être décalé dans le spectre observé à cause du mouvement du nuage interstellaire interposé entre la source HD 34078 et l'observateur. Pour les applications numériques, on rappelle également les valeurs de la charge de l'électron (e=4.0832x10^-10 esu), de sa masse ( m_e =9.1094x10^-28 g) et de la vitesse de la lumière (c=2.9979x10¹⁰ cm.s^-1) dans le système CGS.

Question 1)

Parmi les données spectrales du satellite FUSE extraites par VOSpec identifier la raie v=0 , J = 10 et choisir le spectre où la raie est plus visible. Vérifier en particulier que la somme de plusieurs spectres caractérisés par des temps de pose différents maximise le rapport signal sur bruit, ce qui rend les raies plus visibles.

Solution

Question 2)

Se concentrer sur le spectre simple (sans opération de somme de spectres différents) où la raie est mieux visible. Calculer le décalage Doppler de la raie v=0 , J = 10 et appliquer la correction par l'outil de calcul du décalage vers le rouge. Vérifier sur le spectre corrigé que la longueur d'onde du centre de la raie se trouve bien à la valeur au repos donnée dans l'énoncé du TP.

Solution

Question 3)

Calculer la largeur équivalente de la raie v=0 , J = 10 et en déduire une estimation de la densité de colonne de l'hydrogène moléculaire. Comparer le résultat avec les valeurs suggérées dans l'article de la littérature dont la figure est extraite, tels que 2.5 10¹³< $N_{H_2}$ < 6 10¹³.

Solution