2.2 FORS1 et moi
2.2.2 Caracteristiques techniques
La spectroscopie consiste à disperser la lumière des sources en fonction de leur longueur d'onde, à la manière d'un prisme. Cette dimension supplémentaire est empruntée à l'image bi-dimensionnelle : le champ de vue est réduit à une fente étroite, uni-dimensionnelle, et l'on disperse la lumière perpendiculairement à cette fente. Sur le détecteur, l'un des axes correspond alors à une dimension spatiale et l'autre à une dimension spectrale.
Le plan focal :
Le premier étage de FORS1 est situé au niveau du foyer Cassegrain du télescope, là où se forme l'image du ciel, et permet de choisir et de positionner les fentes.
En mode imageur (IMG), on laisse le plan focal libre.
En mode spectroscopie à longue fente (LSS : Long Slit Spectroscopy), le masque à fentes y est inséré. 9 fentes longues de 6.800et de diérentes largeurs y ont été gravées, et un second
masque vient occulter toutes les fentes non désirées. La position de la fente dans le champ de vision varie donc d'une fente à l'autre (voir la table 2.1).
En mode spectroscopie multi-objets (MOS : Multi-Object Spectroscopy), c'est un en- semble de 19 paires de lames qui se déplacent dans la plan focal pour synthétiser 19 petites fentes longues de 2000, de position et de largeur arbitraires. Au contraire du mode LSS où
l'on ne peut qu'obtenir les spectres d'objets alignés, ce mode permet d'obtenir simultané- ment les spectres de 19 objets choisis dans le champ.
L'orientation des fentes par rapport au ciel est obtenue en faisant tourner l'ensemble de l'instrument relativement au télescope, grâce au dérotateur.
L'étage des collimateurs vient ensuite. Les deux ensembles interchangeables de trois groupes de lentilles font l'image du plan focal sur le détecteur, mais avec des grandissements diérents : l'un imagera la fente d'une seconde d'arc sur 10 pixels (SR), et l'autre sur 20 pixels (HR).
Fig. 2.3: Conception optomécanique de FORS1. De haut en bas : Le plan focal et les masques. L'étage des collimateurs. Les 3 roues à ltres. La caméra (objectif + CCD) et les ltres interféren- ciels.
l (00) 2.50 1.60 1.00 0.51 0.28 0.40 0.70 1.31 2.00
∆xf oc (mm) -24 -18 -12 -6 0 6 12 18 24
∆α (00) 45.3 34.0 22.6 11.3 0.0 -11.3 -22.6 -34.0 -45.3
∆xpix (Pix.) -226 -170 -113 -57 0 57 113 170 226
Tab. 2.1: Décalage relatifs des fentes, sur le masque (∆xf oc), projeté sur le ciel (∆α) et sur le
Grisme λ0 λmin− λmax dispersion dispersion resolution Filtre [nm] [nm] [Å/mm] [Å/pixel] λ0/∆λ 600B 465 345-590 50 1.20 780 600V 585 465-710 49 1.18 990 GG375 600R 627 525-745 45 1.08 1160 GG435 600I 795 690-910 44 1.06 1500 OG590 300V 590 445-865 112 2.69 440 GG435 300I 860 600-1100 108 2.59 660 OG590 150I 720 600-1100 230 5.52 260 OG590 1200g 488 431-549 24.4 0.59 1650
Tab. 2.2: Caracteristiques des grismes disponibles sur FORS1, utilisés avec le ltre d'isolation d'ordres qui leur est adapté. Dispertion et résolution correspondent au collimateur standard et à la fente 1.000. La couverture spectrale correspond à l'utilisation d'une fente centrée (0.2800 en mode
LSS).
L'étage des ltres :
Cet étage regroupe 3 roues à ltres, chacune portant 7 ltres ou disperseurs. Elles sont placées dans une zone ou le faisceau est parallèle, à la sortie du collimateur. Avec le col- limateur SR, l'image de la pupille est au centre de cet étage. Le fait que le faisceau soit parallèle permet de ne pas le défocaliser avec les multiples combinaisons de ltres possibles. Les disperseurs sont des grismes, contraction de grating (réseau) et de prisme. Ils consistent en un prisme dont une face est gravée d'un réseau de nes dentelures de pas p. Ce réseau a la propriété de diracter la lumière de longueur d'onde λ selon un angle α = k × λ/p; k entier. On voit donc que cet angle est proportionnel à λ (si k 6= 0), assurant un eet arc-en-ciel, mais aussi que l'on aura plusieurs arc-en-ciels, ou ordres de diraction, pour k = 1, 2, 3... La forme des dentelures est optimisée pour que l'ordre 1 soit le plus lumineux2, et le prisme sert à réorienter cet ordre le long de l'axe optique,
pour un λ0 de réference. Le faisceau n'est donc globalement pas dévié par le grisme, mais
se trouve dispersé selon toutes ses couleurs.
Un point reste cependant problématique : la présence des autres ordres, et en particulier de l'ordre 2. En eet, l'angle de dispersion de la lumière à λ0/2 dans l'ordre 2 sera égal à
celui de la lumière à λ0 dans l'ordre 1. On verra donc les deux ordres se recouvrir, ce qui
n'est pas très pratique. La solution est d'inclure un ltre qui sélectionnera un seul octave du spectre électromagnétique, empêchant de fait tout recouvrement.
De nombreux ltres sont utilisés en astronomie lorsque l'on fait de l'imagerie, chaqu'un sélectionnant une couleur (ou bande photométrique). L'observation dans 3 ltres permet de reconstituer une image en couleurs mimant l'impression visuelle. Scienti quement, l'ima- gerie multi-bandes renseigne sur la forme globale du spectre de l'objet. Plus le nombre et la nesse des bandes sera grand, plus la forme du spectre sera contrainte. Cela revient à faire de la spectroscopie à très basse résolution. A n de pouvoir comparer des mesures entre elles, les ltres utilisés doivent êtres identiques. Les ltres de Bessel et de Gunn-Peterson sont les plus usuels.
La première roue, dénommée roue Wollaston, contient le prisme de Wollaston qui permet de séparer les composantes o et e en polarimétrie, le ltre U de Bessel, les ltres u, v, r et z de Gunn, et le grisme 600V.
La seconde roue, dénommée roue des grismes, contient les grismes 300V, 300I, 600B,
600I, 150I et 1200g (grisme holographique à phase volumique).
La dernière roue, dénommée roue à ltres large bande, contient les ltres d'isolement d'ordres GG375, GG435 et OG590, les ltres photométriques B, V, R et I de Bessel et le ltre g de Gunn.
Ces nomenclatures correspondent aux couleurs des ltres : U pour l'UV, G pour le vert (green), V pour le jaune (visible), R pour le rouge et I pour l'infra-rouge. Les noms des grismes comportent également le nombre de trait par centimètres, proportionnel au pouvoir de dispersion (en Å/mm) ou à la résolution (égale à λ0/∆λ). La lettre indique la bande
correspondant à λ0. Les noms des ltres d'isolement d'ordre sont des nomenclatures du
fabriquant. La table 2.2 résume les propriétés des grismes, associés à leur ltre d'isolement d'ordres.
L'étage de la caméra :
C'est l'étage nal de l'instrument, où le faisceau parallèle est focalisé sur le détecteur. Après l'objectif focalisateur se trouve une roue à ltres interférentiels. C'est un em- pilement alternatif de couches minces (< µm) de deux materiaux ayant des indices de réfraction diérents, permettant de ne transmettre qu'une très ne bande de longueurs d'ondes centrée sur λ0 égal à l'épaisseur des couches (c'est le même principe que les traite-
ments anti-re ets de vos lunettes). Seulement, cet eet est très sensible à l'inclinaison du faisceau, et l'on place donc ces ltres à proximité du détecteur, là où le faisceau converge bien perpendiculairement (avec le collimateur SR du moins). L'eet de l'angle d'ouverture du faisceau élargit et diminue un peu la transmission du ltre, mais l'eet reste similaire dans tout le champ (si ce ltre était placé dans le faisceau parallèle, la transmission serait optimale au centre du champ, et dégradée aux bords).
Ces ltres permettent d'isoler une raie d'émission spéci que d'un élement chimique. Cela ne présente d'interêt qu'en imagerie, où l'on obtient ainsi une image de l'abondance de cet élement, sans être contaminé par les autres sources de lumière.
Le détecteur est en n couvert par un diaphragme qui commande le début et la n des poses.
Après avoir traversé l'atmosphère terrestre, rebondi sur deux miroirs, traversé la ne fente, 10 lentilles, un grisme et un ltre, des photons ayant voyagé durant 5 milliards d'années viennent s'enfoncer dans la ne couche de Silicium du capteur CCD. S'ils ont, en plus, une longueur d'onde proche de 700nm, 8 sur 10 d'entre eux sauront libérer un électron de la trame cristalline du semi-conducteur. Ces électrons attendront, con nés dans leur pixel, que le diaphragme se ferme, que les portes des transistors de lecture s'ouvrent, pour être entraînés dans le tourbillon de l'ère numérique moderne. Et l'astronome visualisera sur son écran plasma l'image reconstituée de ces photons, rangés par couleur, tout juste receuillis dans le creuset d'Antu, et transmutés par le mage FORS1.