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1 UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments une promenade dans lastronomie éléments pour illustrer le cours chapitre.

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1 1 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments une promenade dans lastronomie éléments pour illustrer le cours chapitre 8 : instruments_ 2 Yves Rabbia, astronome Observatoire de la Côte d'Azur,

2 2 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments instruments collecteurs imageurs Lunettes et Telescopes fonctions de base configurations optiques et mécaniques

3 3 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments fonctions basiques d'un instrument pour l'observation en astronomie champ de vue selection des directions d'arrivée collecteur champ de vue filtres : selection spectrale ouverture collectrice selection des points d'impact point de départ : pluie de photons directions, impacts quelconques monture : poursuite du mvt des astres

4 4 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments les collecteurs-imageurs : lunettes, telescopes objectif = lentille placée du coté de l'objet observé l'objectif donne une image "toute petite" de l'objet observé pour que l'œil puisse voir les détails, on lui adjoint une loupe oculaire = lentille placée du coté de l'oeil lunette : deux lentilles alignées avec axes optiques identiques lentille = guide pour la trajectoire des rayons (refraction) une lunette (telescope) est simplement un montage afocal les rayons arrivent sur l'œil en faisceau parallele (image à l'infini) l'œil travaille alors avec le minimium de fatigue l'image est formée à l'infini pour la ramener à distance finie, on doit utiliser une lentille supplémentaire cette lentille peut être le cristallin de l'oeil objectifoculaireoeil objet

5 5 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments principe et intérêt de la lunette oeil objectif lunette amplification angulaire par système afocal grossissement augmenté, apparence de rapprochement du sujet oeil oculaire lunette plus gros plus écartés

6 6 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments configurations optiques de base : collection et champ de vue montage basique minimal : instrumentation mesures délimitation du champ de vue collecteur champ de vue diaphragme de champ au foyer montage typique : config. optique instrumentation mesures pupille d'entrée pupille de sortie focale équivalente champ de vue

7 7 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments besoins pour l'aspect imagerie former l'image de l'astre sur un capteur (plaque photo, cible camera,..) besoins : dependent de l'objet et concernent les attributs d'une chaine de detection exemples : objet etendu : grand champ objet faible : grande sensibilité photometrique ou longue pose recherche de la structure de detail : resolution angulaire la resolution accessible sur l'objet depend de l'instrument (diametre collecteur, limite de diffraction) de l'atmosphere ( turbulence ou "seeing" ou "qualité d'image") du capteur (nbre de pixels) de la bonne combinaison de ces trois aspects

8 8 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments retour sur la refexion.....pour arriver aux telescopes Centre de courbure C incident réfléchi i i ' vision intuitive et phenomenologique : on considère le miroir comme localement plan au point dimpact du rayon incident Foyer

9 9 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments telescopes : une transformation de lemploi de la lunette au moyen de miroirs

10 10 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments

11 11 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments

12 12 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments telescope de Schmidt l'image d'un point lumineux subit l'aberration de coma quand elle s'éloigne du centre du champ un immense appareil photo grand champ une lame en entrée au profil étudié pour corriger l'aberration de coma très important une variante très populaire la configuration schmidt-cassegrain

13 13 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments

14 14 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments configuration « newton »

15 15 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments configuration « cassegrain »

16 16 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments configuration « cassegrain afocal »

17 17 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments montures, but : suivre le mouvement apparent Les capacités d'un instrument astro ( collection de lumière, grossissement angulaire) ne sont exploitables que si l'on peut suivre le mouvement apparent des astres ( pointage permanent). Ce pointage permanent est la fonction des montures trois sous-fonctions : tenir le telescope sur une embase fixe mettre en place deux axes de rotation du tube commander le mouvement du tube (entrainement ou poursuite) deux familles principales pour le mouvement du tube (liées aux repères astro) monture equatoriale monture alt-azimuthale (ou simplement azimuthale) d' autres approches existent ( on a pas le temps): monture alt-alt, monture sphérique,...

18 18 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments mécanique : les axes et l'entrainement, toujours trois axes à gérer cas : monture équatoriale visée pole celeste N horizon local axe de declinaison SUD zenith Est Nord Ouest P nord H lien avec repère équatorial le tube est entrainé dans un mvt de rotation vitesse :un tour en un jour sidéral le tube est incliné d'un angle par rapport à l'equateur, et reste à la bonne déclinaison pendant la poursuite. Une seule commande de mvt, mvt uniforme

19 19 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments mécanique : les axes et l'entrainement, toujours trois axes à gérer cas : monture alt-azimuthale sud local zenith a h au cours de la poursuite a et h doivent être continuellement ajustés sur la direction de l'astre l'entrainement est moins simple qu'avec la monture équatoriale deux mouvements non uniformes SUD zenith Est Nord axe de hauteur axe azimuthal mvt hauteur mvt azimuth

20 20 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments divers "design" opto-mécaniques pour les montures à berceau axe du monde axe de declinaison S E W N N celeste pilier monture à berceau à fourche ou fer à cheval axe du monde axe de declinaison S E W N N celeste monture à fourche axe de declinaison S E W N salle de manip étage en dessous coudé axe de hauteur S E W N table de manip nasmyth

21 21 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments illustrations

22 22 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments lunettes illustration Galilée, 1609, diametre 3 cm Yerkes, 102 cm, record mondial

23 23 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments telescopes illustration Newton, xx ESO VLT_Unit 8m projet ESO_OWL 100 m ($$$$), devenu ELT 35 m($$) CFHT 3.6m

24 24 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments illustration : monture equatoriale CFHT 3.6m fer à cheval allemande à contrepoids Yerkes

25 25 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments illustration : configuration Nasmyth VLT 8m Keck 10m

26 26 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments ESO VLT et VLTI, Chili, Cerro Paranal, environ 2800 m 4 collecteurs diam 8 m

27 27 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments Large Binocular Telescope, 2 x 8 m

28 28 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments Extremely Large Telescope European Southern Observatory ELT_ESO projet en cours

29 29 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments SPACE ! illustration

30 30 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments encore des exemples pour l'Espace Corot (transit exoplanètes) Topex et Jason (geophysique et oceanographie) EnviSat (environnement)

31 31 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments pourquoi aller dans l'espace ? pas de turbulence ! qualité d'image maximale tout le spectre electromagnétique accessible observation en continu (nuit permanente ) exploration directe (lune, mars, asteroides, cometes,...) applications pour la vie quotidienne : environnement, ressources terrestres, météo, géologie, telecommunications, GPS, océanographie, alerte sur catastrophes..... pas de turbulence ! qualité d'image maximale tout le spectre electromagnétique accessible observation en continu (nuit permanente ) exploration directe (lune, mars, asteroides, cometes,...) applications pour la vie quotidienne : environnement, ressources terrestres, météo, géologie, telecommunications, GPS, océanographie, alerte sur catastrophes..... transmission 1 à toutes les longueurs d'onde longueur d'onde

32 32 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments quelques problèmes (parmi d'autres) pour l'Espace le côut d'une mission ! le temps de réalisation typiqmt vingt ans pour un projet spatial avant lancement et l'encombrement croissant de l'Espace par les débris spatiaux

33 33 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments il y a aussi les radio-telescopes pour les autres domaines que visible, IR et radio on va plutôt dans l'espace

34 34 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments radiotelescopes : type assiette arecibo, puerto-rico cuvette naturelle équipée diametre 300 m nacelle mobile au foyer

35 35 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments radiotelescope de Nançay ( France) miroir 200 m chariot focal mobile pour suivre le pointage

36 36 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments Very Large Array ( Socorro,new mexico,USA)

37 37 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments astronomie non photonique illustration antarès et superkamiokandé détection de neutrinos virgo et lisa (space) detection des ondes gravitationnelles

38 38 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments atmosphere : un composant important des instruments au sol description physique structure composition effets sur l'observation refraction absorption turbulence description physique structure composition effets sur l'observation refraction absorption turbulence

39 39 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments 6300 km 1 00 km 'atche bioutifulle !

40 40 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments atmosphère : structure et composition chimique la structure à grande échelle est déterminée par des couches d'épaisseurs inégales, formées en liaison avec les distributions verticales de temperature et de densité composition chimique en volume (variable avec altitude et lieu) : azote N 2 (78%), oxygène O 2 (21%), gaz rares (Argon, Néon, Hélium...) et dans les basses couches, vapeur d'eau H 2 O, dioxyde de carbone CO 2. Traces de méthane CH 4 et autres

41 41 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments atmosphère : structure à petites échelles cellules convectives et turbulentes, très variables en dimension pression, température et humidité locales Les grands mouvements convectifs forment de grandes cellules (km) qui se décomposent en cellules de plus en plus petites par redistribution de l'énergie de mouvement ( rotation et fractionnement, cascades d'énérgie, Kolmogorov) jusqu'à une échelle de l'ordre de qqs mm Conséquence : les cellules sont imbriquées et donnent une structure très inhomogène et aléatoire (espace et temps) : qui se répercute sur la distribution spatio-temporelle de l' indice de réfraction

42 42 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments effets sur observations _ 1 l'atmosphère perturbe le rayonnement qui nous parvient des astres : trois effets principaux pour nous refraction : modifie la direction de propagation initiale absorption : perturbe la transmission et l'accès au spectre turbulence : perturbe les images (fonction de transfert) un quatrieme aspect est le rayonnement propre de l'atmosphere : production d'un bruit d'ambiante important dès > m et croissant avec

43 43 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments effets sur observations _ 2 réfraction_1 juste pour le plaisir

44 44 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments effets sur observations _ 2 réfraction_2 En première approximation, on peut considérer que l'atmosphère agit comme une lame à faces parallèles et les rayons incidents sont déviés par effet de réfraction (indice n air = ) la distance zenithale "z" calculée (à partir de a et d) est falsifiée : la direction de pointage devient "z a " calcul de l'écart dz = z – z a : on écrit la loi de Descartes et on approxime en remarquant que dz est petit (indice faible effet faible) z : distance zenithale réelle de l'astre Z direction apparente zaza z un peu d'algèbre et on obtient et finalement (avec n = –4 ) Attention 1 : "n" est chromatique d'où : dz( 1) dz( 2) Attention 2 : l'approximation "lame à faces paralleles" ne vaut que pour z modéré (< 60° ?)

45 45 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments effets sur observations _ 3 absorption_1 absorption spectrale (molécules) l'atmosphère n'est transparente que pour certains intervalles spectraux note : c'est à partir de ces fenetres atmosphériques que sont établies les bandes du systeme JP11 I J K H L M N conséquences : certains domaines spectraux sont inaccessibles depuis le sol la transmission dans les fenetres n'est pas forcément stable

46 46 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments effets sur observations _ 4 absorption_2 transmission dans les fenetres : effets de l'épaisseur traversée et des absorbants à la traversée de l'atmosphère les photons sont soit diffusés soit absorbés, le résultat est une réduction de la puissance disponible au sol (extinction atmosphérique) dh h+dh h I(h+dh) I(h) une modélisation : loi de Beer facteur de proportionnalité : (h), lié à l'absorbant (ou plusieurs) intuitif résolution de l'equation différentielle : d'où (avec : épaisseur optique) un peu d'algèbre et on arrive à l'intensité I 0 au sol, à partir de l'intensité I hors atmosphère on pose tout ça concerne la propagation verticale, et si c'est oblique ??

47 47 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments effets sur observations _ 5 absorption_3 propagation oblique : masse d'air dh z dh / cos z le raisonnement précédent peut etre repris avec dh/cos z au lieu de de dh, et on arrive à : on appelle masse d'air la quantité sec z elle vaut 1 pour une propagation verticale (z=0, cos z= 1) note : la masse d'air ne tend pas vers l'infini quand z tend vers pi/2 l'hypothèse "lame à faces parallèles" ne tient plus à cause de la rotondité de la Terre. l'épaisseur d'atmosphère minimale pour une étoile donnée a lieu pour z minimal ou hauteur h maximale (culmination) La masse d'air minimale associée est donc le plus souvent superieure à 1 elle ne descend jusqu'à 1 que si l'étoile transite au Zenith local

48 48 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments effets sur observations _ 6 absorption_4 Pierre Bouguer la dépendance en z permet de mesurer la transmission : méthode de la droite de Bouguer observation serie de couples ( z, I 0 (z)) graphe (sec z, Log(I 0 (z)) sec z Log I 0 (z) (secz) min sec z=1 vers la culmination Quand les conditions d'obs sont stables la modèlisation est valide et les points se disposent selon une droite de pente " – " d'où une mesure la transmission : t atm = exp(- ) (secz) min sec z=1 Bonus : malgré que sec z ne prenne pas de valeurs inférieures à 1 on peut prolonger la droite vers l'axe des ordonnées et l'on obtient Log(I ) à l'intersection, ce qui donne aussi une mesure de sec z Log I 0 (z) Log(I )

49 49 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments effets sur observations _ 7 dégradation provoquée par la turbulence atmosphérique (Kolmogorov) variation aléatoire de la distribution inhomogène de l'indice de réfraction L'effet porte sur le front d'onde qui est aléatoirement distordu n front incident front émergent n front incident front émergent rappel front d'onde incident plan front d'onde émergent distordu les distorsions de front d'onde se traduisent principalement par 3 effets (attention jargon): piston (inoffensif quand on a une seule ouverture) tip-tilt ( mouvement de la tache au foyer) speckles (structure complexe au lieu de tache d'Airy) dégradation des images_1

50 50 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments P : piston intervient entre deux (ou N collecteurs) pb pour interferométrie TT : tip-tilt mouvement aléatoire de la tache image (voir plus loin) angle de tilt : pente du front d'onde sur l'ouverture Speckles : front d'onde incident r0 D tout bouge f( ) P TT tél.2 tél.1 effets sur observations _ 8 au lieu de la tache d'Airy on observe un "speckle pattern" ( voir plus loin) dégradation des images_2

51 51 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments effets sur observations _ 9 paramètres caractéristiques et comportements r 0 : dimension moyenne d'une zone plane du front d'onde distordu (plane horizontale) 0 : durée typique d'un état du front d'onde ( isoplanetisme) : champ dans lequel on a le même état de front d'onde valeurs typiques en visible :(plus grand meilleure qualité d'image) r 0 5 cm à 20 cm en visible O 1 à 10 msec 2 arcsec dépendance en z comment évaluer (caractériser) les effets de la turbulence ? dépendance en ( plus grand séverité plus faible) convention : r0 concerne 0.55 m

52 52 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments illustration : speckle pattern /r 0 /D

53 53 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments turbulence faible structure de tache d'Airy encore perceptible mouvement d'ensemble de la tache image turbulence typique structure de tache d'Airy complètement détruite et apparition d'un speckle pattern (tavelures) dégradations en "live"

54 54 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments effets sur observations _ 10 d'une manière gérérale : pour ne pas avoir d'ennuis avec l'atmosphére aller dans l'espace ! refraction : restreindre l'observation à de faibles distances zénithales faible c'est quoi ? ça dépend du type d'observation : typiquement z < 30° absorption : vivre avec mais la mesurer : droite de Bouguer ( déjà vu) turbulence : correction "a posteriori" : tenir compte au traitement des données, calibration correction " a priori" : reduire les distorsions de front d'onde, optique adaptative comment lutter au sol ? d'une manière générale : aller en altitude ou choisir site particulier (Dome C, antarctique) comment lutter contre les effets adverses ?

55 55 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments optique adaptative

56 56 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments illustration optique adaptative _ 1

57 57 UNSA_ master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments illustration optique adaptative _ 2 ( clip Gemini )


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