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Comment construire un spectroscope solaire "haute résolution"?

Matériel nécessaire:

 Deux lunettes 60/700mm

  Lames de rasoir et cadres de diapositives pour la fente

   Un réseau a réflexion 1200 traits/mm

  Contre plaqué, visserie, un peu de cornière aluminium...

   Observer le spectre de la lumière solaire est un jeu passionnant. Il peut déjà facilement être approché à basse résolution, mais il prend un potentiel esthétique et scientifique étonnant lorsqu'on tente de s'approcher de la haute résolution.

Pour les grandes lignes de base de la spectroscopie, voir ici, ou là pour le côté stellaire. Robert met aussi à votre disposition un petit logiciel de prédiction (Réseau) de trajets de rayons donnés par des réseaux de diffraction en réflexion ou en transmission.

Voici le montage de base qui a été choisi ici, le but étant de descendre au voisinage de 0,1 nm en résolution:

spectronaute: principe
La lumière entre par la fente. La distance entre celle-ci et l'objectif collimateur est simplement la focale de l'objectif. Ainsi, l'image de la fente est rejetée à l'infini. L'angle entre les deux tubes est d'environ 40° si le réseau est à 1200 traits/mm. Son "blaze" conditionne le spectre qui sera choisi, +1 ou -1 suivant celui qui recueille le plus de lumière.

La partie facile est la fabrication de la base qui supportera les deux lunettes:

spectronaute base ©ERATO
-Fixation des deux lunettes sur une planche de contre plaqué. Idéalement les deux objectifs doivent se trouver les plus proches possible du réseau. Celui-ci n'était pas très large (25x25mm), blazé à 500nm (c'est là que le maximum de lumière est renvoyé). Il provient de chez Edmund-Optic. C'est l'élément coûteux de la construction...

Le morceau un peu délicat est la fabrication de la platine support du réseau:

Platine support du réseau©ERATO
-Le plan du réseau doit être vertical, et il doit pouvoir tourner autour d'un axe vertical (c'est de cette manière que l'observateur pourra faire défiler les couleurs du spectre). Mais les défauts de verticalité doivent pouvoir être corrigés: c'est le rôle des deux petites vis en plastique blanc, visibles sur l'image de gauche, sur l'arrière de la platine: elles modifient et conservent l'inclinaison du réseau sur un axe horizontal.

Ensuite, il faut soigneusement aligner tout ça: le plus simple est d'utiliser par exemple une lampe basse consommation, à vapeur de mercure, qui émet assez de raies intenses pour que l'on puisse les trouver à l'oculaire, après avoir au moins réussi à renvoyer l'ordre zéro dans la deuxième lunette.

Ce qui donne l'occasion d'une première lumière... artificielle:

doublet mercure ©ERATO
C'est le doublet du mercure, à 577 et 579 nm. Les deux raies sont plus que fortement séparées, et on perçoit leur structure plus fine... L'image a été retrécie par un facteur deux. Il s'agit d'une seule image prise au foyer de la lunette imageuse, au réflex numérique.

Le montage considéré comme fonctionnel, il est mis en boîte, décoré et muni d'une réglette servant à faire tourner le réseau:

Spectronaute complet ©ERATO

L'exploration du Soleil peut alors commencer, simplement en renvoyant sa lumière sur la fente par un miroir. Aussi bien en photographie, qu'en visuel, vous serez épatés par la subtilité et la vigueur des diverses nuances qui constituent le spectre solaire. Voici un simple petit exemple de ce qui a été obtenu sur le doublet du sodium, bien visible dans la partie orange du spectre solaire:

Doublet du sodium dans le Soleil ©ERATO
Les deux raies du sodium sont ici à 589.0 et 589.6 nm. Le profil du spectre a été obtenu par Spectrace. L'acquisition a été réalisée à la webcam cette fois-ci.

Une intéressante observation a été réalisée par le club ERATO. Il s'agissait de comparer, de façon qualitative tout au moins, une portion de spectre solaire acquise à 150m d'altitude et une autre prise au sommet du Pic du Midi (2877m). La portion de spectre choisie était centrée sur une bande du dioxygène atmosphérique terrestre, débutant à 686.7nm. Voici la bande d'absorption:

Bande de O2, Pic du Midi ©ERATO

Le profil en est alors obtenu sous Spectrace, et passé à un tableur:

Bande de O2, acquise à 150m et 2877m d'altitude ©ERATO
-Voici le profil d'une petite portion du spectre précédent, incluant les 8 dernières raies intenses. Les flêches noires indiquent les raies du dioxygène, appartenant donc à l'atmosphère terrestre. Celles du Nickel et du Fer neutres, proviennent bien du Soleil. Les deux profils ont été décalés pour faire coïncider les intensités des raies purement solaires. Visiblement, seules les raies atmosphériques terrestres ont des intensités différentes en fonction de l'altitude. Cela peut-être montré aussi sur la courbe ci-dessous:
Rapport des intensités
-Ici, le rapport des deux courbes est réalisé, longueur d'onde par longueur d'onde. On a un bruit de fond au voisinage de 1, les pics qui s'en détachent, sont aux longueurs d'ondes pour lesquelles la différence d'intensité est forte entre les deux altitudes d'acquisition... Seules les raies du dioxygène ressortent nettement: Au-dessus du Pic du Midi, l'épaisseur de l'atmosphère est bien plus faible que dans la vallée, les raies terrestres sont moins intenses.

Enfin, voici un balayage complet du spectre solaire, réalisé l'instrument décrit:

Spectre complet ©ERATO et Rob in Space

Joli, non? Vous avez essayé de cliquer dessus (4,5Mo...)?