Ecole d’Astrophysique du CNRSOutils de l'astrophysique

pour une coopération professionnels/amateurs

La Rochelle 24-28 mai 2006

Spectroscopie et Spectro-imagerie à travers le Système Solaire

Pierre Drossart

Missions planétaires de la décennieEurope (ESA)• Cassini/Huygens : 2004• Mars Express : 2003-

2008• Smart-1 (Lune) 2003-2006• Rosetta : 2004-2014• Venus Express 2006-2008• Bepi Colombo : 2011-2016

Etats-Unis (NASA)• Cassini/Huygens : 2004• Programme Mars

(2003/2005/2007/2009)• Missions Discovery: Deep

Impact, Messenger, Dawn • New Horizons (Pluto)• Etc.

Japon (JAXA):• Planet C(Venus) 2009 • Bepi Colombo (MMO) 2011

Vénus Terre Mars TitanDistance moyenne ausoleil

0,72 UA 1 UA 1,5 UA 10 UA

Rayon planétaire 0,95 1 0,53 0,41Masse (en masseterrestre)

0,82 1 0,11 0,023

Inclinaison de l'axe -2,6° 23,5° 24° 29°Durée de l'année 225 jours 365 jours 687 jours 29,6 ansDurée du jour 243 jours

rétrograde1 jour =

23h56mn~1 jour

24h37mn16 jours

Température au sol 460°C 15°C -58°C -179°CPression au sol 92 1 0,007-0,10 1,6

GazCarbonique

96,5% 0,35% 95,3% Traces

Azote 3,5% 78% 2,7% 85-98%Oxygène Traces 21% 0,13% -

Composition

Eau 0,003% qq %(var.)

0,03% Traces

Planète Jupiter Saturne Uranus NeptuneDistance au soleilUA

5,2 9,6 19,2 30,1

Rayon 11,3 9,4 4,1 3,9Durée de l'année 12 ans 29,5 ans 84 ans 165 ansDurée du jour 9,92h 10,67 15,5 15,8Inclinaison 3,1° 29° 98° 29°Température à1000hPa

-150°C -178°C -214°C -214°C

Que mesure-t-on avec la spectroscopie en planétologie ?

… à peu près tout:Pression, température, composition, structure

nuageuse, vents, ondes, …Domaines ?… tous… ultraviolet, visible, infrarouge,

millimétrique…Infrarouge = sonde à tout faire

Qu’est ce que l’infrarouge ?• Limite de l’œil humain : IR = > 0.7 - 0.8 m• Limite du silicium : > 1 m• Spectroscopie moléculaire: vibration/rotation

proche IR~ 1 m < < 3 m (combinaison) moyen IR 3 m < < 25 m (fondamentaux)lointain IR 25 m < < ~ 100 m (bandes de rotation)

• Structure physique des atmosphères: frontière thermique/solaire ~ > 3 m

Specificités de l’ IR• spectroscopie

moléculaire : bandes de vibration/rotation

• Composantes thermique / solaire réfléchie

• décades dans les variations de flux / => grande excurstion dans le sondage vertical

Mesures• Niveaux de

pression • Structure

thermique• composition• Structure

nuageuse• Ondes• ……….

CH4 : bandes de vibration/rotation

Wenger and Champion, JQSRT, 1998www.u-bourgogne.fr/LPUB/methane/TEXT/resu.htm

Dyade 2 niveaux vibrationels

2 sous-niveaux

Pentade5 niveaux vibrationels

9 sous-niveaux

Octade8 niveaux vibrationels

20 sous-niveaux

Tetradecade14 niveaux

60 sous-niveaux

7.8 m 3.3 m 2.3 m 1.8 m

CH4 sur Jupiter (1) calcul à très haute résolution

Méthode :Transfert radiatif

(2) convolué à R~1200 (ISO/SWS)

Spectre de Saturne à 5 mFenêtre atmosphérique profonde(~ 5 bars):• PH3, NH3, AsH3, CH3D, H2O• Structure nuageuse (NH3 • nuage sup. + nuage profond)• Combinaison solaire + thermique

de G

raau

w e

t al,

A&

A, 1

998

K. Baines, (priv. comm.)

Jupiter : émission aurorale dans H3

+ 1)CFHT/FTS:spectre à R~105

2) Galileo/NIMS:bande H3

+ à résolution R~100

Dro

ssar

t et a

l, Ap

J 40

2, L

25 (1

993)Emissions aurorales

CM_1467426479.cub (# 1) = 2.034 m

Cassini/VIMSobservations de Titan @ T0

CM_1467449778.cub (#18)Spectre des régions centrales

Resolving Power ~ 140

Cassini/VIMS : spectres de Titan

C. Griffith, (priv. comm.)

VIRTIS

Schéma simplifié de VIRTIS

x

y

2

1

Spatial directions

Wavelength direction

Monochromatic 2D images of -M

VIRTIS-H line of sight

.250m

1 m2 m

5 mInstrument à bordde Rosetta, Venus Expresset Dawn (pour la partiede spectro-imagerie

Telescope VIRTIS-M et Spectromètre

x

Y

H1 Visible area

Visible area H2Infrared area

VIRTIS-M : Réseau

Canal Virtis-H

Parameter VIRTIS-M VIRTIS-H

Visible Infrared Infrared

Spectral range [m] 0.27-1.1 1.05-5.19 1.83-4.98

Spectral sampling [nm] 1.9 9.8 0.6

FOV [mrad2] 64x64 0.58x1.75 per 3 pixels

Pupil diameter [mm] 47.5 32

F# 5.6 3.2 2.04

Etendue [m2.sr] 3.6.10-11 7.5.10-11 0.8.10-9

Slit dimension 38mx9.53mm 29x89m

Detector format [px] 512x1024 270x438 270x438

Pixel pitch [m] 19 38 38

Saturation charge [Me] >0.4 >2 >2

VIRTIS main characteristics

Ordres du réseau en dispersion croisée

Blocking filter zone 1

3.9mm - 5.0mm

Blocking filterzone 2

2.0mm - 4.4mm

Pixel

432 pixels

270 pixels

Ordre 0

Ordre 7

5mm

2mm

IR @ 1.7um

VIS @ false

coloursB-R

Observations de VIRTIS sur Venus Express le 12 avril 2006

Vénus : http://www.esa.int/Mission Venus ExpressVenus Amateur Observing Project

Observations Jupiter :GRS « Junior » cf C. Pellier

Observations amateurs/professionnels