Chapitre 3 Les régions de photodissociation 49
4.4 Spectral and Photometric Imaging Receiver (SPIRE)
Figure 4.4 – Schéma illustrant le balayage de PACS sur le ciel physiques dans les PDR étudiées.
Table4.1 – Caractéristiques techniques de l’instrument PACS.
Photomètre Spectromètre Bande (µm) 70 100 160 51 − 220 Champ de vue 3.2′ × 3.2′ 6.4′ × 6.4′ 47′′ × 47′′ FWHM des PSF 5.46′′ × 5.76′′ 6.69′′ × 6.89′′ 10.65′′ × 12.13′′ 9.4′′ − 11.7′′
4.4 Spectral and Photometric Imaging Receiver (SPIRE)
Tout comme PACS, SPIRE (Griffin et al., 2010) est composé d’un photomètre et d’un spec-tromètre. Il opère à plus grande longueur d’onde, sur une gamme plus étendue.
4.4.1 Photomètre
Le photomètre de SPIRE observe le ciel dans trois bandes spectrales centrées approximati-vement à 250, 350 et 500 µm. Chaque bande est associée à une matrice de bolomètres couplés à un ensemble de 139, 88 et 43 cornets individuels (Fig. 4.7, gauche). Lors d’une observation avec le photomètre de SPIRE, tout comme avec PACS, le flux observé ¯SS dépend non seulement de la densité de flux de la source, mais aussi de la réponse spectrale du filtre R(ν), de sorte que :
¯ SS = R P BSS(ν)R(ν) dν R P BR(ν) dν . (4.1)
Dès lors, la connaissance de R(ν) est indispensable. Dans le cas de SPIRE, la réponse spectrale du filtre change selon que nous observons une source ponctuelle ou une source étendue. En effet, par définition, la brillance de surface d’une source ne varie pas sur la surface de la PSF. L’effica-cité de couplage des modes des cornets doit être prise en compte. Cette grandeur dépendante de l’étendue AΩ varie avec λ2. Ainsi, la réponse spectrale de chaque filtre pour l’émission étendue est construite en pondérant R(ν) dans le cas d’une source ponctuelle par λ2 afin de tenir compte de l’augmentation de la largeur de la PSF avec la longueur d’onde. Les réponses spectrales des
Figure 4.5 – Gauche : Photographie d’un bolomètre de SPIRE (Crédit : SPIRE consortium). Droite : Réponse spectrale des filtres du photomètre de SPIRE (PSW en bleu, PMW en vert et PLW en rouge). Les transmissions lors d’une observation d’une source ponctuelle sont re-présentées par les courbes en traits pleins, et lors d’une observation d’une source étendue en tirets.
filtres de SPIRE sont indiquées Fig. 4.5.
La densité de flux observée correspond à la quantité d’émission lumineuse contenue dans la PSF. Pour la convertir en flux, il nous faut connaître de la meilleure façon possible la PSF dans chaque bande. Les PSF de SPIRE ont été mesurées à partir d’observations de Neptune. Elles sont significativement éloignées d’une forme gaussienne et présentent des lobes secondaires qui doivent être pris en compte dans la conversion du flux. Concrètement, la conversion des unités des données (Jy/beam) vers les MJy.sr−1 se fait en divisant la surface moyenne de la PSF, qui s’exprime en unité d’angle solide. Les détails sur les PSF de SPIRE sont résumés dans le Tab. 4.2 et leur modélisation est décrite dans Sibthorpe et al. (2011).
Corrections de couleur
Le photomètre observe une densité de flux dans une bande, qui sera rapportée à la longueur d’onde de référence du filtre. Cette opération nécessite une hypothèse sur la forme du spectre observé. La calibration des deux instruments d’Herschel suppose un spectre en loi de puissance défini par la densité de flux à la fréquence standard ν0 et l’indice spectral α :
SS(ν) = SS(ν0) ν ν0
α
(4.2) La convention choisie est une SED, νSν, plate dans la bande, équivalent à α = −1. En combi-nant les Eqs. 4.1 et 4.2, nous pouvons exprimer la densité de flux de la source mesurée par le photomètre : ¯ SS= ν0SS(ν0) R P BR(ν) ν−1dν R P BR(ν) dν , (4.3)
et donc, la densité de flux à la fréquence ν0, nous avons : SS(ν0) = S¯S ν0 R P BR(ν) dν R P BR(ν) ν−1dν , (4.4)
4.4. Spectral and Photometric Imaging Receiver (SPIRE)
Figure 4.6 – Cartes des PSF du phtotomètre de SPIRE à 250, 350 et 500 µm, de gauche à
droite. L’échelle des images est logarithmique et la taille des pixels est respectivement de 6, 10 et 14′′.
qui est différente selon que l’on observe une source ponctuelle ou étendue.
Notons que l’Eq. 4.4 repose sur l’hypothèse que α = −1 sur tout le domaine d’observation, c’est à dire entre ∼200 et 700 µm, ce qui n’est en général pas le cas. Il est donc nécessaire d’effectuer des corrections de couleur. En gardant l’hypothèse d’un spectre en loi de puissance mais avec un indice spectral différent αR, la correction de couleur nous donne une densité de flux monochromatique S′ S(ν0) telle que : S′ S(ν0) = ναR+1 0 SS(ν0) R P BR(ν) ν−1dν R P BR(ν) ναRdν = KCSS(ν0) (4.5)
où KC est le facteur de correction de couleur.
Enfin,dans le cas d’un spectre de corps noir modifé, SS(ν) = SS(ν0)(ν/ν0)α′Bν(T ) le facteur de correction de couleur KC2 s’écrit :
KC2 = ν0α′+1SS(ν0) R P BR(ν) ν−1dν R P BR(ν) να′ Bν(T ) dν . (4.6)
Les corrections de couleur de PACS suivent la même convention et sont réalisées de manière analogue.
4.4.2 SPIRE-FTS
Le spectromètre de SPIRE est un spectromètre imageur à transformée de Fourier (FTS pour Fourier Transform Spectrometer ). Son principe est basé sur l’interférométrie. Le rayonnement incident est séparé en deux faisceaux qui vont suivre deux chemins optiques différents avant de se recombiner. Cette différence de chemin optique donne naissance à un interférogramme, à partir duquel, en appliquant la transformée de Fourier inverse, est construit le spectre en fonction de la fréquence.
Les détecteurs du FTS de SPIRE sont deux matrices de bolomètres SSW et SLW (Fig. 4.7, droite) couvrant les bandes de longueur d’onde allant de 194 à 313 µm (51.5 à 32 cm−1) et de
Figure 4.7 – Vue schématique des matrices de cornets du photomètre de SPIRE (gauche) et de bolomètres du FTS (droite). Les noms des bolomètres sont indiqués à l’intérieur des cercles. Les détecteurs bleus sont centrés sur la même position, et les gris sont hors service. Le rectangle et le cercle rouges représentent respectivement le champ de vue du photomètre (4′
× 8′) et du spectromètre (2.6′).
303 à 671 µm (33 à 14.9 cm−1).
La résolution spectrale du FTS est de ∼ 0.83 cm−1 en mode basse résolution mais peut atteindre ∼ 0.04 cm−1. La taille et la forme du faisceau d’observation du FTS varient avec la fréquence et ne peuvent être caractérisées par une gaussienne (Swinyard et al., 2010). Toutefois, le lobe principal peut être défini à l’aide de paramètres d’une fonction gaussienne (Tab. 4.2).
A la différence du photomètre, la calibration du FTS repose sur l’émission des sources éten-dues, de plus il ne mesure pas une densité de flux mais une intensité en W.m2.Hz−1.sr−1. Il est également possible de construire des cartes spectroscopiques à divers niveaux d’échantillonnage. Ceci est réalisé grâce à différents modes d’observation (Fig. 4.8) :
• Aucune translation de la matrice de bolomètres (sous-échantillonnage spatial)
• Quatre translations successives de la matrice de bolomètres par une longueur équivalente à la largeur à mi-hauteur de la PSF (échantillonnage intermédiaire) ;
• Seize translations successives de la matrice de bolomètres par une longueur équivalente à la moitié de la la largeur à mi-hauteur de la PSF (échantillonnage complet).
Table4.2 – Caractéristiques techniques de l’instrument SPIRE.
Photomètre FTS Canal PSW PMW PLW SSW SLW Bande (µm) 250 350 500 194 − 313 303 − 671 Champ de vue 4′ × 8′ 2.0′ FWHM des PSF 18.3′′ × 17.0′′ 24.7′′ × 23.2′′ 37.0′′ × 33.4′′ 17′′ − 21′′ 29′′ − 42′′ Aire des PSF (10−8sr) 0.9942 1.765 3.730 − −