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Tomographie stellaire : l’imagerie médicale au secours de l’astronomie / Stellar tomography : when medical imaging helps astronomy

Par Jean-Francois Donati - 25/10/2006

 

Tomographie stellaire: l'imagerie médicale au secours de l'astronomie

Stellar tomography: when medical imaging helps astronomy

La plupart des étoiles ne sont pour nous que des points dans le ciel, et les détails à leur surface sont, dans la très grande majorité des cas, hors d'accès des techniques d'imagerie astronomique directe les plus sophistiquées

Most stars only appear to us as blinking dots in the sky, and details on their surfaces are, in the vast majority of cases, totally out of reach of the most modern astronomical direct imaging techniques.

Pour accéder à ces détails, l'astronome dispose néanmoins un moyen: il lui est possible d'utiliser la rotation des étoiles pour "scanner" leur surface, en utilisant des techniques d'imageries très similaires à celles développées en médecine.

To access such surface details, astronomers nonetheless have one solution: they can use the rotation of stars to "scan" their surfaces, by using techniques that are very similar to those developped for medical imaging.

En effet, grâce à l'effet Doppler, les raies spectrales d'une étoile en rotation peuvent être considérées comme des images 1D de la surface stellaire: tandis que les parties de l'étoile qui se rapproche de l'observateur affectent majoritairement la partie gauche de la raie, les parties de l'étoile qui s'éloignent de l'observateur perturbent principalement la partie droite de la raie.

Thanks to the Doppler effect, spectral lines of a rotating star can indeed be viewed as 1D images of the stellar surface; while the approaching limb of the star mainly contributes to the left side of the line profile, the receding limb affects mostly the right side of the line profile.

Ainsi, pour une étoile possédant à sa surface une tache sombre près de l'équateur, les raies spectrales sont perturbées dans toute leur largeur au cours de la rotation de l'étoile, comme illustré sur la figure ci contre (cliquer sur l'image pour voir l'animation complète).

Hence, for a star hosting a surface dark spot close to the equator, spectral line profiles are affected throughout their whole width as the spot is carried around the star by rotation, as illustrated on this image (click on the image to get a full animation).

Si la tache est située près du pole, les raies spectrales ne sont affectées que dans leur partie centrale, ce qui, par différence avec le cas précédent, donne accès à une information sur la latitude et la longitude des taches stellaires.

If the spot is located close to the pole, spectral lines are only affected in their core regions; the difference with the previous case implies that one is able to recover information on both latitude and longitude of starspots.

Suivant le même principe et en utilisant les signatures polarisées produites par effet Zeeman dans les raies spectrales, il est possible de reconstruire non seulement la position des régions magnétiques à la surface de l'étoile mais aussi l'orientation du champ magnétique dans les taches (la polarisation circulaire étant sensible à la composante du champ dans la direction de l'observateur). Pour une tache de champ radial (émergeant perpendiculairement de la surface de l'étoile, voir figure ci contre), la signature en polarisation circulaire conserve le même signe en traversant la raie.

Following the same principles and using the polarised signatures generated by Zeeman effect in spectral lines, one can reconstruct non only the position of magnetic regions at the surface of the star, but also the orientation of the magnetic field within the spot (circular polarisation signatures being sensitive to the field component along the observer's direction). For a magnetic spot hosting radial field (perpendicular to the stellar surface, see image), the circular polarisation signature keeps the same sign as it crosses the line profile.

Si le champ dans la région magnétique est azimutal (parallèle à la surface de l'étoile et orienté le long des parallèles), la signature en polarisation circulaire change de signe en traversant la raie, démontrant qu'il est possible, dans certaines limites, de retrouver l'orientation du champ à la surface de l'étoile. Un logiciel automatique d'imagerie magnétique des surfaces stellaires a été mis au point selon ce principe.

If the magnetic field within the spot is azimuthal (parallel to the surface of the star and oriented along parallels), the circular polarisation signature changes sign as it crosses the line profile, demonstrating that one can recover the orientation of the magnetic field at the surface of the star with reasonable accuracy. A fully automatic software tool was developed along these lines to achieve magnetic imaging of stellar surfaces.

 

 

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