spectro Mesure de la rotation des Galaxies par effet Doppler

Lemby · 23 janvier 2011

Bonjour,

Première visite pour moi sur ce forum, donc bonjour à tous et merci d'avance pour vos réponses !

Présentation

Je suis actuellement en deuxième année de classe préparatoire - section physique chimie - et je m'intéresse depuis longtemps à l'astronomie sans pour autant avoir jamais réellement pratiqué d'observations par moi même. Je n'ai donc aucun matériel à disposition.

Ce que je recherche ?

C'est dans le titre, il s'agit de mon sujet de TIPE.

Je cherche à savoir la faisabilité d'une telle expérience (je pense pouvoir avoir des contacts pour me fournir en matériel astronomique, mais si vous êtes près de Paris, j'accepterai volontiers de l'aide pour m'en procurer!)

Donc, pour résumer :

- peut on faire une telle expérience en tant qu'amateur ?

- quel matériel celà requiert il ?

Merci d'avance pour toutes vos réponses

Edit

-> Expériences sur le déplacement vers le rouge des objets célestes, lesquelles sont accessibles de manière concluante pour un amateur en astronomie ?

-> N'hésitez pas aussi si vous avez des liens vers des explications (sans que ce soit tout et n'importe quoi comme on en trouve souvent sur internet justement !) ou des explications sur le Redshift, ses manifestions dans l'univers, ses causes, ses conséquences, son observation etc...

Modifié 25 janvier 2011 par Lemby
affin

adri92 · 23 janvier 2011

Bonsoir Lemby,

Moi aussi je suis un petit nouveau.

Personnellement je pense que calculer la rotation d'une galaxie par effet Doppler est très difficile voir impossible même avec un bon matériel ( sauf si tu utilise un observatoire semi-professionnel ). Peut-être que je me trompe, attend l'avis des spécialistes . En revanche, un exercice tout aussi passionnant est plus facile à réaliser, c'est de mettre en évidence l'expansion de l'univers grâce à l'effet Doppler.En effet, la vitesse radiale des galaxies est bien plus importante que leur vitesses de rotation. Attend d'autres réactions !

Adrien

PS: Le matériel que possède certain webastrams est très performant, il suffit de voir leurs résultats!

Modifié 23 janvier 2011 par adri92

Franck34 · 24 janvier 2011

Il te faut un système optique de prism avec une ccd, un réseau de façon à décomposer la lumière et un télescope.

Puis avec le logiciel qui va bien, tu peux sauvegarder tes images et tes spectres lumières.

Tu vas mesurer le décalage vers le bleu et le rouge des 2 côtés de la galaxie choisie et tu peux en déduire par calcul les vitesses.

Tu peux demander à Gabal sur ce forum pour plus de précisions.

François Teyssier · 24 janvier 2011

L'idée est intéressante.

Cela me parait très difficile à réaliser avec un télescope amateur.

Posons le problème grossièrement.

L'ordre de grandeur des vitesses de rotation des galaxies est 200 km/s.

Pour obtenir une incertitude de 10% sur la mesure, il faut donc utiliser un spectro précis à 20 km/s, soit environ 0,4 A, c'est à dire un spectro haute résolution.

Là, pas de problème (enfin façon de parler, maîtriser un spectromètre haute résolution nécessite quand même un minimum d'apprentissage).

De mémoire, la magnitude surfacique des galaxies les plus brillantes est de l'ordre de 13.

L'équation Spectro haute résolution + télescope assez large pour recueillir assez de photons en observant un objet de magnitude 13 n'a pas de solution dans le domaine amateur.

Si le sujet est le mouvement, il y a en revanche d'autres sujets accessibles aux amateurs

Haute résolution :

Un classique : vitesse de rotation jupiter et saturne

Binaires spectroscopiques

Le top : pulsations des céphéides, là cela devient très pointu

Vitesse radiale d'étoiles d'un amas

Basse résolution

Vitesse d'expansion des shells de novae : http://www.astronomie-amateur.fr/feuilles/Spectroscopie/Novae/V496%20Sct%202009.html

ou de nébuleuses entourant certaines étoiles un peu particulières, genre V Sge

Vitesse de récession de quelques galaxies (je pense notamment aux galaxies de Seyfert).

Voilà donc quelques idées à compléter.

François Teyssier

http://www.astronomie-amateur.fr

Modifié 24 janvier 2011 par François Teyssier

gabal · 24 janvier 2011

Outre ce qui a était dit précédemment et les considérations instrumentale, il y a une sacré problématique inhérente à la nature même de l'objet dont tu veux mesurer la rotation.

Une galaxie n'est pas un solide uniforme et homogène. Elle est composée d''étoiles, de gaz et de poussière. Sa structure est complexe, parfois elliptique, spirale ou irrégulière. On parle plus de courbe de rotation qui est la distribution de la vitesse en fonction de la distance au centre de masse. Là tu va te heurter à un truc bizarre. Cette courbe ne répond pas à une distribution képlerienne. Les régions externes accélèrent. Zwicky dans les années trente avait déjà noté cette anomalie. Il a fallut depuis faire appel à la matière noire pour tenter d'expliquer ceci. Bref t'as intérêt à bien cerner le sujet.

Si tu veux simplifier, je te propose de prendre une seule galaxie et d'en faire la courbe de rotation des région HII. Je te conseille M81, brillante, relativement pauvre en matière noire, pratiquement képlerienne, accessible. Elle a l'avantage d'avoir une structure spirale bien nette, un noyau compact et de très actives région HII dans ses bras spiraux et au centre dont on peut mesurer le doppler. Bref on peut poser la fente d'un spectro où on veut. Il te faudra travailler en haute résolution, bien qu'au centre galactique on mesure plutôt des vitesses cosmiques, de plusieurs millier de Km/s due à la présence d'un trou noir compact massif.

J'ai fait cette mesure au LhiresIII 2400tt en prenant l'élargissement de la raie H alpha à demi hauteur fente posée sur la région du noyau avec un télescope de 21cm. Par contre tracer les régions HII externes sera plus difficile, les raies seront moins intenses et larges. Poser la fente sur le grand axe de la galaxie ne donnerait pas de bons résultat tant l'élargissement de la raie Ha due aux régions centrale recouvrirai celui des régions externes, 10000KM/S contre 200km/s !. Enfin tu mesurera là que la distribution de la vitesse des régions HII, ignorant ainsi les courants stellaires, la distribution des poussières, des nuages de gaz froids, ou des ondes de densité qui ont toutes leurs prope courbe de vitesse de rotation.

Toujours partant ?

Modifié 24 janvier 2011 par gabal

adri92 · 24 janvier 2011

bonjour,

Wouha!!! C'est pas demain la veille que je vais faire une telle mesure, mais c'est sur qu'en prépa je testerai.

Bonne chance si tu fait de telles mesures !

J'espère que tu nous raconteras.

Adrien

Toutiet · 24 janvier 2011

François, tu dis :

"L'ordre de grandeur des vitesses de rotation des galaxies est 200 km/s."

Mais ce n'est pas une vitesse de rotation ça, c'est une vitesse linéaire...! Cela n'a rien à voir .

'Bruno · 24 janvier 2011

Toutiet : tu chipotes pour rien (je ne sais pas si tu es conscient que là, tu risques de passer - à tort peut-être - pour un ignare ?). On mesure toujours la vitesse de rotation des galaxies (c'est-à-dire de leurs étoiles, puisque bien sûr il s'agit d'une rotation différentielle) en mesurant les vitesses radiales des étoiles situées aux extrémités de la galaxies (d'un côté elles s'approchent, de l'autre elles s'éloignent). Ensuite, on pourra convertir ça en vitesse angulaire, calculer la période, appliquer la 3è loi de Kepler si elle était valide, etc., mais à la base, c'est bien une mesure de vitesse radiale, comme indiqué plus haut, et c'est certainement ça que souhaite réaliser Lemby.

Toutiet · 24 janvier 2011

Toutiet : tu chipotes pour rien (je ne sais pas si tu es conscient que là' date=' tu risques de passer - à tort peut-être - pour un ignare ?). On mesure toujours la vitesse de rotation des galaxies (c'est-à-dire de leurs étoiles, puisque bien sûr il s'agit d'une rotation différentielle) en mesurant les vitesses radiales des étoiles situées aux extrémités de la galaxies (d'un côté elles s'approchent, de l'autre elles s'éloignent). Ensuite, on pourra convertir ça en vitesse angulaire, calculer la période, appliquer la 3è loi de Kepler si elle était valide, etc., mais à la base, c'est bien une mesure de vitesse radiale, comme indiqué plus haut, et c'est certainement ça que souhaite réaliser Lemby.[/quote']
D'accord, mais ça dépend de ce que l'on appelle "les extrémités de la galaxie"... Où s'arrête-t-on ? (Comme on dit en Allemagne )

'Bruno · 24 janvier 2011

Ça n'a pas d'importance. On fait la mesure sur divers endroits de plus en plus éloignés du noyau afin d'avoir un profil de vitesse, ce qui permet de savoir comment tournent les étoiles en fonction de leur distance au noyau. Quand je disais les extrémités, c'était au sens vague du terme, pour dire qu'on mesurait un décalage vers le rouge d'un côté, et vers le bleu de l'autre (relativement au décalage vers le rouge moyen), et pour que la manipe soit plus facile, il faut s'éloigner du noyau.

gabal · 24 janvier 2011

Je ne crois pas que l'on puisse avec nos moyens amateurs faire de la vitesse radiale sur des étoiles où amas d'étoiles dans une autre galaxie. Pas une question de spectro, on a rien à envier de ce coté là coté résolution et calibration, mais pour finement isoler une étoile ou un groupe d'étoiles sur fond galactique il faut de la focale, de la résolution et du diamètre pour avoir un signal correct. Il faut bien étudier la position de la fente, préférer une injection par fibre pour soigneusement sélectionner l'objet. Rien ne ressemble autant à un spectre d'étoile qu'un spectre de galaxie, normal et piégeur pour les spectro à fente longue.

Par contre les région HII sont plus larges, très présentent dans les galaxies à haut taux de formation stellaire , et surtout présentent un bon contraste spectral avec le spectre galactique, car elles sont en émission. Pas sûr de pouvoir faire la mesure doppler dans les régions externes. Le sujet me parait ardu avec nos petits télescopes, hors noyau.

Tu peux avoir un 80cm ? :cool:

Modifié 24 janvier 2011 par gabal

François Teyssier · 24 janvier 2011

François, tu dis :

"L'ordre de grandeur des vitesses de rotation des galaxies est 200 km/s."

Mais ce n'est pas une vitesse de rotation ça, c'est une vitesse linéaire...! Cela n'a rien à voir .

Je t'accorde qu'il s'agit d'un abus de langage ; mais c'est couramment de cette façon que les vitesses de rotation des galaxies sont exprimées. Deux exemples, parmi tant d'autres :

http://articles.adsabs.harvard.edu//full/1984A%26AS...58..351M/0000351.000.html

http://www.science.gouv.fr/fr/actualites/bdd/res/2352/extension-de-la-courbe-de-rotation-de-messier-31/

Donc pas de problème, Toutiet, tu leur écris un petit mail pour leur demander d'être plus rigoureux dans leur expression ...

En fait, il y a plusieurs raisons pour lesquelles les vitesses de rotation sont exprimées en km/s, par facilité.

Bruno en a donnée une : la vitesse de rotation est obtenue par mesure de l'effet Doppler qui donne la vitesse radiale.

La deuxième, c'est que en dehors du noyau, donc très proche du centre de la galaxie, la vitesse linéaire de rotation devient pratiquement constante, quelle que soit la distance au centre.

La troisième, c'est que des vitesses linéaires exprimées en km/s sont plus parlantes que ne le seraient des vitesses de rotation en rd/s ou même en rd/an!

Cela étant, je ne pense pas que ce soit pour discuter du nombre d'anges pouvant tenir ne tête d'épingle que Lemby nous a interpellé.

Tout d'abord une présentation du TP envisagé par Lemby avec un profil de raie HI (en radio). :

http://www.astro.umontreal.ca/~chemin/ater/master2dec2007/tp_gal.html

Je pense toujours que la manip est vraiment limite avec des télescopes amateurs.

D'autres sujets sur le mouvement en spectroscopie :

http://www.shelyak.com/dossier.php?id_dossier=13

Voir notamment Rotation, binaires spectroscopiques

ou encore

http://astrosurf.com/buil/rrlyr/obs.htm

Bref, il y a de quoi faire, sans aller chercher les frontières des possibilités amateur en spectro.

François Teyssier

PS : mesures sur V Sge (elle a l'avantage sur les novae d'être disponible en permanence !) : http://www.astronomie-amateur.fr/feuilles/CV/VSge.html

PS : pour Thierry, je pensais à des mesures sur un amas galactique, genre Hyades : les vitesses radiales sont de l'ordre de km/s, les téoiles sont brillantes, donc accessibles facilement en HR. Il y a un exercice intéressant dans le livre d'Agnés Acker : Astronomie Méthodes et calculs

Modifié 24 janvier 2011 par François Teyssier

adri92 · 24 janvier 2011

bonsoir,

Petite conclusion au sujet de ton idée de TIPE :

-Bonne idée (bon choix)

-mais malheureusement très difficile à réaliser avec un matériel d'amateur

-mais plein d'autres sortes de projets en spectro

Adrien

PS: conclusion inutile mais bon...

Lemby · 25 janvier 2011

Toutiet : tu chipotes pour rien (je ne sais pas si tu es conscient que là' date=' tu risques de passer - à tort peut-être - pour un ignare ?). On mesure toujours la vitesse de rotation des galaxies (c'est-à-dire de leurs étoiles, puisque bien sûr il s'agit d'une rotation différentielle) en mesurant les vitesses radiales des étoiles situées aux extrémités de la galaxies (d'un côté elles s'approchent, de l'autre elles s'éloignent). Ensuite, on pourra convertir ça en vitesse angulaire, calculer la période, appliquer la 3è loi de Kepler si elle était valide, etc., mais à la base, c'est bien une mesure de vitesse radiale, comme indiqué plus haut, et c'est certainement ça que souhaite réaliser Lemby.[/quote']
Je souhaite, plus que mesurer la vitesse de rotation, simplement prouver qu'elles sont en rotation

Modifié 25 janvier 2011 par Lemby

Lemby · 25 janvier 2011

Je t'accorde qu'il s'agit d'un abus de langage ; mais c'est couramment de cette façon que les vitesses de rotation des galaxies sont exprimées. Deux exemples, parmi tant d'autres :

http://articles.adsabs.harvard.edu//full/1984A%26AS...58..351M/0000351.000.html

http://www.science.gouv.fr/fr/actualites/bdd/res/2352/extension-de-la-courbe-de-rotation-de-messier-31/

Donc pas de problème, Toutiet, tu leur écris un petit mail pour leur demander d'être plus rigoureux dans leur expression ...

En fait, il y a plusieurs raisons pour lesquelles les vitesses de rotation sont exprimées en km/s, par facilité.

Bruno en a donnée une : la vitesse de rotation est obtenue par mesure de l'effet Doppler qui donne la vitesse radiale.

La deuxième, c'est que en dehors du noyau, donc très proche du centre de la galaxie, la vitesse linéaire de rotation devient pratiquement constante, quelle que soit la distance au centre.

La troisième, c'est que des vitesses linéaires exprimées en km/s sont plus parlantes que ne le seraient des vitesses de rotation en rd/s ou même en rd/an!

Cela étant, je ne pense pas que ce soit pour discuter du nombre d'anges pouvant tenir ne tête d'épingle que Lemby nous a interpellé.

Tout d'abord une présentation du TP envisagé par Lemby avec un profil de raie HI (en radio). :

http://www.astro.umontreal.ca/~chemin/ater/master2dec2007/tp_gal.html

Je pense toujours que la manip est vraiment limite avec des télescopes amateurs.

D'autres sujets sur le mouvement en spectroscopie :

http://www.shelyak.com/dossier.php?id_dossier=13

Voir notamment Rotation, binaires spectroscopiques

ou encore

http://astrosurf.com/buil/rrlyr/obs.htm

Bref, il y a de quoi faire, sans aller chercher les frontières des possibilités amateur en spectro.

François Teyssier

PS : mesures sur V Sge (elle a l'avantage sur les novae d'être disponible en permanence !) : http://www.astronomie-amateur.fr/feuilles/CV/VSge.html

PS : pour Thierry, je pensais à des mesures sur un amas galactique, genre Hyades : les vitesses radiales sont de l'ordre de km/s, les téoiles sont brillantes, donc accessibles facilement en HR. Il y a un exercice intéressant dans le livre d'Agnés Acker : Astronomie Méthodes et calculs

Je profite de la pause du midi pour d'une part vous remercier pour toutes vos réponses.

J'ai la chance a priori d'avoir un kholleur "éminent spécialiste de l'astrophysique" paraitrait il, donc je vais voir avec lui - il est à l'observatoire de Meudon - pour savoir s'il serait possible de faire des expériences de spectro avec du matériel professionnel.

Apres je recherche toujours une expérience de l'effet doppler accessible, donc je vais commencer par lire ce que vous m'avez proposé mais si vous avez d'autres idées ou des expériences à ce sujet à faire partager n'hésitez pas.

Edit : dans un de tes liens, ils utilisent la loi de Tuller Fischer (Vrot^4= K. I(lumineuse)) pour prouver calculer la rotation des galaxies, malheureusement ca ne rentre pas dans le cadre de l'effet Doppler et du Redshift, j'ai peur de m'écarter du sujet purement spectro/doppler bien que la manip m'a l'air plus faisable.

Modifié 25 janvier 2011 par Lemby

adri92 · 25 janvier 2011

Envoyé par Lemby

Je souhaite, plus que mesurer la vitesse de rotation, simplement prouverai elles sont en rotation

bonjour,

Ce que je peut te dire, c'est que si les galaxies n'étaient pas en rotation, les étoiles et le gaz se condenserais jusqu'à former une incroyable explosion, ou plutôt un trou noir hyper massif ! Je pense que tu peut déterminer grossièrement la vitesse de rotation de certaine galaxies en connaissant leur masses. Mais la matière noir fausserait les résultats. Je ne suis pas sur de ce que j'avance, mais je crois que la masse de certaine galaxies peut-être déterminée en étudiant la déformation de galaxies plus lointaine du à la courbure de l'espace temps, mais tu devras plutôt utiliser des amas voir des super-amas de galaxie pour faire de telles mesures(problème dans ce cas là, tu vas mesurer la masse de l'amas et non pas d'une seule galaxie). Mais les super-amas sont très lointain et tu devras donc utiliser un "gros" télescope. Je m’arrête là, je suis en seconde et je dis sans doute des choses fausses, mais merci comme même à Einstein pour sa théorie de la relativité général.

cordialement,

Adrien

PS: comme mon message en haut de cette page, attend d'autres réaction !

Modifié 25 janvier 2011 par adri92

Lemby · 25 janvier 2011

Je commence à m'orienter aussi un peu de mon côté, donc pour résumer je compte axer mon TIPE de cette manière :

Redshift, théorie et expérimentation

1. Principes et applications fondamentales

(Expansion de l'univers, constante de Hubble...)

2. Exploitation de données spectrographiques : "les galaxies tournent"

(exploitation des données d'un laboratoire pro donc pour expliquer l'observation du mouvement de rotation des galaxies, éventuellement analyse de la distribution des vitesses en fonction de la distance à l'axe de rotation - accessible la sachant non keplérienne et non isotrope ?- à voir...)

3. Expérience personnelle (de visualisation du Redshift)

(observation de manière amateur --> là je fais appel à vous pour des idées d'expériences ! )

Modifié 25 janvier 2011 par Lemby

'Bruno · 25 janvier 2011

Au fait, pourquoi as-tu choisi les galaxies ? C'est vrai qu'a priori ça a quand même l'air infaisable (avec du matériel amateur)... S'il s'agit de faire de la spectro, ce ne serait pas plus facile d'étudier une binaire spectroscopique, par exemple ? En plus ça permet de mettre plein de maths et de physique dedans (pour reconstituer les orbites, puis mesurer les masses des étoiles). Mais c'est peut-être un sujet bateau ? Alors que prouver qu'une galaxie tourne me paraît avoir moins de potentiel (en plus on s'en doute un peu...) Par contre, c'est vrai que si tu peux obtenir la distribution des vitesses en fonction de la distance au noyau, là ça peut mener à pas mal de choses (mais ça va demander du gros matériel...)

François Teyssier · 25 janvier 2011

Je commence à m'orienter aussi un peu de mon côté, donc pour résumer je compte axer mon TIPE de cette manière :

Redshift, théorie et expérimentation

1. Principes et applications fondamentales

(Expansion de l'univers, constante de Hubble...)

2. Exploitation de données spectrographiques : "les galaxies tournent"

(exploitation des données d'un laboratoire pro donc pour expliquer l'observation du mouvement de rotation des galaxies, éventuellement analyse de la distribution des vitesses en fonction de la distance à l'axe de rotation - accessible la sachant non keplérienne et non isotrope ?- à voir...)

3. Expérience personnelle (de visualisation du Redshift)

(observation de manière amateur --> là je fais appel à vous pour des idées d'expériences ! )

Le sujet a sensiblement évolué par rapport à ton message initial.

Mesure du redshift, c'est faisable.

Tu trouveras en bas de cette page de Christian Buil des mesures de redshift sur des Seyfert dont je parlais dans un message précédent, ainsi qu'une BL Lac (3C 66A). Le quasar 3C 273 est également faisable en basse résolution.

http://astrosurf.com/buil/lisa3/test.htm

Quand je dis "faisable", il faut bien se rendre compte que l'on est là aux extrêmes limites de ce que l'on peut obtenir en spectro avec des moyens amateurs.

Données de base : http://www.astronomie-amateur.fr/atlasphotographique.html

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