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 :

-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 2800K et elle est très pâle dans le bleu, elle est plus lumineuse dans le rouge.

Cette représentation des spectres est prise dans le logiciel KeplerII de Jean Vallière. vjean@videotron.ca

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.

Ces trois étoiles sont des sources 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.

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

À droite, M13 en trichomie, les filtres B,V,R, ajustés pour être compatibles au Kron Cousin.

Ces images sont prises par les auteurs du document.

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.

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 4000K. Ce sont des étoiles géantes dont une quantité significative de matériaux se trouve 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. C'est 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.

Ces paramètres tiennent compte de l'efficacité du détecteur KAF401E

La Photométrie en images.

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 Infrarouge, F/Ha = filtre en Hydrogène alpha.

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

Les étoiles à mesurer

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

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.

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
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
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.

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 ?

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 !!!

Références

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

- Robert Burnham, Burnham`s Celestial Handbook An Observer`s Guide to the Universe Beyond the Solar Systhem, 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).

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