Spectre d’un Quasar avec un Lisa ou un Alpy

Les spectrographes Lisa et Alpy sont particulièrement adaptés à l’étude des objets faibles et durant la Spectro Party 2018 à l’OHP, nous avons pu réaliser le spectre d’un quasar de magnitude V=16,52 avec un télescope de 355mm de diamètre.

Le cas du quasar S5 0014 +81

AD = 00h 17′ 08,47 »      DEC = +81° 35′ 08,13 » (J2000)

Magnitude V=16,52 redshift z=3,36 à 3,41 (selon les diverses publications)

Egalement dénommé 6C 001409+811809

SIMBAD : http://simbad.u-strasbg.fr/simbad/sim-basic?Ident=S5+0014+%2B81&submit=SIMBAD+search

Avec une distance de plus de 12 milliards d’années-lumière, ce quasar est l’un des objets les plus lointains.

Pointage de la cible et réalisation des spectres

La cible étant très faible, il faut pouvoir autoguider sur une étoile proche tout en maintenant la cible dans la fente du spectrographe. La fente utilisée ici est de 35µm.

Champ du capteur d’autoguidage (ATIK 314L+)

Les étoiles plus lumineuses ne manquent pas dans le champ du capteur d’autoguidage. On choisira une étoile proche du Quasar et l’on vérifiera que pendant les poses, la cible ne quitte pas la fente du spectrographe.

Image brute de 900s du Quasar S5 014+83 (ATIK 460ex en bin 1x1)

Sur une pose unitaire, le signal n’est pas bien important, il a fallu poser au total 3h (12 poses de 900s) pour améliorer le rapport signal/bruit. Le spectre brut montre bien la raie en émission Lyman-Alpha.

Il est important de disposer de part et d’autre du spectre de zones sans étoiles pouvant être exploitées pour soustraire le fond de ciel et faire disparaitre les raies qui ne sont pas celles du Quasar.

 

Spectre traité du Quasar qui montre une raie en émission large et intense de l’hydrogène Lyman Alpha

Mesure de la distance

La raie prépondérante du spectre est la raie de l’Hydrogène Lyman Alpha qui, au repos, se situe à 1215,7 Å dans l’ultra-violet profond. Elle se retrouve ici dans le domaine du visible car le redshift est très important. On la mesure à une longueur d’onde 5345 Å, ce qui permet de calculer le redshift z=3,396 (selon les publications le redshift de ce Quasar se situe entre 3,36 et 3,41).

On peut également calculer la vitesse du redshift de ce quasar en utilisant la relation suivante :

Avec c= 299 792,458 km/s, Vr en km/s, λ1 ou λ Obs, la longueur d’onde observée et  λ0 la longueur d’onde « au repos »

La distance peut être calculée grâce à la constante de Hubble Ho = 73,02 km/s/Mpcd’après la dernière valeur connue, voir https://fr.wikipedia.org/wiki/Détermination_de_la_constante_de_Hubble) et on obtient une distance de 12.272.184.000 années-lumière avec la relation suivante :

Comparaison avec le 1er spectre « pro »

En consultant les diverses publications sur cet objet, on constate que le premier spectre a été réalisé le 15 septembre 1982 sur un télescope de 2m30 avec un intensificateur d’image pour le capteur :

http://articles.adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-iarticle_query?1983ApJ…275L..33K&data_type=PDF_HIGH&whole_paper=YES&type=PRINTER&filetype=.pdf

 

A gauche, le spectre obtenu en 1982 sur un télescope de 2m30, à droite, le spectre obtenu sur un C14 (0,35m)

Les deux spectres sont fort similaires et les nombreuses raies qui composent le spectre ne sont pas que du bruit. Une analyse plus poussée montre que l’on peut voir en plus de la raie principale Lyman-Alpha, les Raies N V 1240Å, Si II 1263 Å, O I 1305Å, Si IV/O IV 1402,5 Å et C IV 1549 Å.

Superposition des 2 spectres, l’un obtenu en 1982 avec celui obtenu avec des moyens plus modestes en 2018

C’est une expérience très intéressante à faire pour ainsi tester les possibilités de son setup et pousser à l’extrême les spectrographes Alpy et Lisa qui grâce à leur conception et leur rendement, permettent d’obtenir de tel résultats.

 

Bibliographie

Quelques publications sur ce Quasar :

The most luminous quasar S5 0014+81 : http://articles.adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-iarticle_query?1983ApJ…275L..33K&data_type=PDF_HIGH&whole_paper=YES&type=PRINTER&filetype=.pdf

Spectroscopy of the quasar S5 0014+81 : http://adsabs.harvard.edu/full/1987SvA….31..136V

Maximum cosmic redshift of quasars at Z>3 : http://adsabs.harvard.edu/full/1985MNRAS.213..389S

The effect of the Lyman-Alpha forest of very high redshift quasars : http://adsabs.harvard.edu/abs/1987ApJ…313..171S