Luminosité de surface

[Astro_4632]

Je me pose une question toute bête en apparence mais qui demande des explications. Les télescopes et lunettes en fonction du diamètre peuvent accéder à des objets de plus en plus lumineux, dont la magnitude est de plus en plus élevée : 13.6 pour un 150, 14.2 pour un 200, 14.7 pour un 250, 15.1 pour un 300 etc … Oui mais ! cela dépend de la pollution lumineuse qui limite cette magnitude mais aussi de la superficie de l’objet bien évidemment. Et cette luminosité de surface est donnée en mag/arcsec2, par exemple ngc 3628 Mg 9.97 Ls 23.13 , M95 Mg 10.58 Ls 23.26 etc … Quelle est donc la luminosité maxi en fonction du Diamètre de l’appareil en visuel cela s’entend ? C'est intéressant pour faire des listes d'objet et ne pas chercher une tachouille qui restera de toute façon invisible à l'instrument.

il y a 1 minute, Astro_4632 a dit :

Je voulais dire de moins en moins lumineux bien sur 😉

 

['Bruno]

Je vais essayer de répondre.

 

La magnitude limite stellaire

La magnitude limite à travers un télescope dépend du diamètre (surtout) et du grossissement (un peu), mais aussi des conditions d'observations : transparence, humidité, etc. Ce qui est sûr, c'est qu'on peut calculer la magnitude limite à travers un télescope (ou lunette) en fonction de la magnitude limite à l'œil nu :

m(télescope) = m(œil) + 5 log(diamètre télescope / diamètre œil)

Exemple :

m(T 150) = m(œil) + 6,8 (j'ai pris comme diamètre de l'œil 6,5 mm)

Attention :

• C'est seulement valable pour l'observation des étoiles.
• Ce n'est pas précis car nos yeux ne sont pas des télescopes (les verres ne sont pas les mêmes...), ce n'est pas exactement comparable. Donner une décimale est probablement abusif, je pense qu'on ne peut pas faire mieux que la 1/2 magnitude près.
• C'est valable avec la même pupille de sortie, donc au grossissement équipupillaire.
• La magnitude limite dépend de celle à l'œil nu (c'est là qu'intervient  le niveau de pollution lumineuse), il ne faut donc pas dire qu'un télescope de 150 mm atteint une magnitude 13,8 mais que, si l'œil nu voit la magnitude 7,0 alors il atteindra 13,8.
• En augmentant le grossissement, on améliore légèrement la magnitude limite, de presque 1,0 unité à mon avis.

Exemple pratique : j'observe en ville avec une magnitude limite de 4,5 (petite ville) et un télescope de 150 mm.  D'après le calcul plus haut, je peux espérer atteindre 4,5 + 6,8 = 11,3 au grossissement équipupillaire, donc un peu plus de 12,0 avec un grossissement optimal. Mais seulement sur les étoiles.

 

La magnitude de surface

Pour le ciel profond, je préfère l'exprimer en magnitude par minute d'arc carrée, parce que la grande majorité des objets du ciel profond ont des dimensions qui s'expriment en minutes d'arc (exception : les petites nébuleuses planétaires, les très grandes nébuleuses, les nuages de Magellan...) et aussi parce que le Night Sky Observer's Guide utilise cette unité.

Voici quelques ordres de grandeur utiles à avoir en tête :

• Les galaxies ont des magnitudes de surface assez homogènes, en gros 12 = galaxie lumineuse (M51, M104), 13 = galaxie moyenne, 14 = galaxie peu lumineuse (M33), 15 = galaxie très faible, nécessite un excellent ciel (NGC 4236), >15 = challenge pour la haute montagne (naine du Lion, naine du Fourneau...)
• Pour les autres nébuleuses, c'est très inhomogène. Par exemple NGC 6210 est à moins de 10 (c'est une toute petite nébuleuse planétaire très lumineuse), mais les nébuleuses Abell sont souvent à 15, 16, voire au-delà...
• Dans les catalogues, les magnitudes surfaciques sont renseignées seulement pour les nébuleuses planétaires et les galaxies (et les amas globulaires, mais pour eux la notion utile est la magnitude des étoiles les plus brillantes), à ma connaissance en tout cas (si tu connais un catalogue pour les nébuleuses diffuses, j'achète !)

De façon générale, je trouve utile de prévoir la visibilité d'une nébuleuse en la comparant à celle d'une galaxie.

Exemple : si une nébuleuse planétaire est de magnitude 10,5 mais de magnitude surfacique 14,5, j'en déduis qu'elle sera aussi difficile qu'une galaxie peu lumineuse de magnitude 10,5, donc visible chez moi mais très faible.

 

Pour les galaxies, la magnitude est un bon critère de visibilité, la magnitude de surface servant à la nuancer. Par exemple NGC 4236 semble aussi facile qu'une galaxie Messier, mais sa magnitude de surface indique une très faible luminosité, donc elle risque d'être difficile (voire invisible ?). Par expérience, en rase campagne j'observe des galaxies (lumineuses ?) jusqu'à la magnitude 13 au 200 mm, 14 au 300 mm, 15 au 500 mm. Mais c'est très faible ! Disons que la vision décalée est nécessaire à partir de 1,5 magnitude en-dessous, donc 11,5 au 200 mm, 12,5 au 300 mm et 13,5 au 500 mm. Quelque chose comme ça.

 

Pour les nébuleuses planétaires, je trouve que le meilleur critère est V + SV (V = magnitude V (*), SV = magnitude surfacique V). Il faut trouver la limite en fonction de ses observations, mais on peut se baser sur l'observation des galaxies : je vois des galaxies jusqu'à la magnitude 14 au 300 mm, peut-être parce qu'elles sont lumineuses (SV = 12), donc V + SV <= 26. Il me semble que ça colle avec mes observations.

 

(*) Je crois que tu as utilisé pour M95 et NGC 3628 des magnitudes B au lieu de V.

 

En tout cas la « magnitude limite surfacique » ne dépend pas du diamètre du télescope, seulement du ciel. En gros, la pollution lumineuse rend lumineux le fond du ciel, celui-ci a donc une certaine magnitude surfacique (exprimée en magnitude par seconde d'arc, il me semble que c'est ce que mesure un SQM), et un astre doit avoir une magnitude surfacique plus basse (= plus lumineux) que celle du fond du ciel pour être visible.

 

Voilà ce que m'inspire aujourd'hui ce sujet.

 

[Moot]

Il y a 3 heures, Astro_4632 a dit :

cette luminosité de surface est donnée en mag/arcsec2

 

Ce n'est pas plutôt par minute d'arc au carré (et non seconde) ?

Il faut ajouter 8,9 (2,5 log 60²) pour l'avoir par seconde d'arc au carré, et la comparer aux valeurs données pour le ciel (par un SQM). On est capable, par contraste, de détecter visuellement la surbrillance induite par des objets donc la magnitude surfacique est un peu supérieure à celle du ciel (dont le maximum est proche de 22 mag."^-2 , c'est à dire un ciel très sombre). En photo, on fait nettement mieux encore.

['Bruno]

Il y a 2 heures, Moot a dit :

Ce n'est pas plutôt par minute d'arc au carré (et non seconde) ?

 

C'est comme on veut. Le Third Reference Catalogue de De Vaucouleurs utilise la magnitude par seconde d'arc, le SQM mesure la luminosité du fond du ciel en magnitude par seconde d'arc, je crois que c'est l'unité la plus courante chez les pros. Mais le Night Sky Observer's Guide utilise la magnitude par minute d'arc et j'arrive mieux à interpréter ça, je soupçonne que c'est un choix adapté pour les astronomes amateurs.

[Caius]

La manière dont je comprends les choses pour les objets étendus, je me plante peut être totalement :

 

- la luminosité d’un objet dépend de la pupille de sortie. 

- on voit plus de détails quand la cible est plus grosse

Donc, augmenter le diamètre permet à luminosité égale (même pupille de sortie) d’avoir une image plus grosse, donc plus détaillée. A grossissement égal, on a une image plus lumineuse.

 

Mais, augmenter ou diminuer la luminosité ne change pas fondamentalement la visibilité d’un objet (couleur mis à part) tant qu’on reste au dessus d’un certain niveau de luminosité. En dessous de ce niveau l’oeil perd ses moyens. 

 

L’oeil est sensible aux contrastes. Le ciel est un objet étendu, et sa luminosité varie aussi avec la pupille de sortie. La pollution lumineuse ne masque pas les objets, la luminosité s’ajoute à celle des objets. Donc elle détruit tout simplement le contraste de l’image :

(je vais utilisé une échelle dans le bon sens : plus c’est grand, plus c’est lumineux)

Soit un objet avec une luminosité de 10,

Dans un ciel avec une luminosité de 1, alors le ciel est à 1 et l’objet est à 10+1=11, et le contraste est à 11/1.

Dans un ciel avec une luminosité de 15, alors le ciel est à 15 et l’objet est à 10+15=25, et le contraste est à 25/15 = 1,67/1 => on a beaucoup plus de mal à distinguer l’objet du fond du ciel. 

 

Modifié 3 octobre par Caius

[Fredalamo]

Les objets du ciel profond sont en général beaucoup plus étendus que ce que l'on voit réellement et lorsqu'on les compare à une photo c'est flagrant, cependant avec les galaxies la lumière, est surtout concentrée au centre où se trouve le noyau  alors que pour les nébuleuses planétaires la lumière est plus concentrée et la majeure partie d'entre elles sont très lumineuses et petites. Pour l'observation la connaissance de la mesure SQM permet de se faire un bonne idée de ce qu'il sera possible de voir selon le diamètre de son instrument simplement en comparant les conditions avec des objets de références que l'on connait bien.

 

Roger N. Clark à écrit beaucoup sur ce sujet je recommande donc ces lectures : https://clarkvision.com

 

Modifié 3 octobre par Fredalamo

['Bruno]

Il y a 15 heures, Caius a dit :

La pollution lumineuse ne masque pas les objets, la luminosité s’ajoute à celle des objets. Donc elle détruit tout simplement le contraste de l’image

Ah oui, et tu as bien expliqué ! J'ai l'habitude de dire que le fond du ciel noie les objets faibles, mais en effet ce n'est pas exactement ça : disons que ça les noie dans le sens où ils deviennent invisibles à cause du contraste trop faible.

[etoilesdesecrins]

Attention à ces valeurs de mag limites toutes prêtes et pour ma part assez sujettes à discussion ! 😁

 

Il y a de nombreux facteurs de nature à augmenter ou diminuer cette mag limite, disons déjà en stellaire pour simplifier, selon que les conditions d'observation sont favorables ou pas.

Déjà effectivement en voici 2 que je juge importants :

- l'emploi d'un grossissement suffisant pour faire ressortir des étoiles plus faibles (quelle que soit l'explication qui fait souvent débat, mais c'est bien là le résultat ...), mais pas trop en cas de turbu pour ne pas trop étaler les très faibles étoiles qui deviendraient alors invisibles

- un ciel très pur dans un site favorable : altitude, absence de pollution lumineuse (surtout diffuse), de lune ...

 

Dans ces cas favorables on parvient à pulvériser les données de mag limites habituellement établies par les constructeurs.

Modifié 4 octobre par etoilesdesecrins

[Fredalamo]

Oui c'est vrai ce que tu dis @etoilesdesecrins d'ailleurs des formules il n'y en a pas qu'une seule, car depuis elle a été affinée.

Modifié 4 octobre par Fredalamo