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1UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
une promenade dans l’astronomieéléments pour illustrer le cours chapitre 8 : instruments_ 2
une promenade dans l’astronomieéléments pour illustrer le cours chapitre 8 : instruments_ 2Yves Rabbia, astronome
Observatoire de la Côte d'Azur,
[email protected] 24 33 84 96
2UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
instruments collecteurs imageurs
Lunettes et Telescopes
fonctions de baseconfigurations optiques et mécaniques
3UNSA_2012-2013 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 collectriceselection des points d'impact
point de départ :pluie de photonsdirections, impactsquelconques
monture :poursuite dumvt des astres
4UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
les collecteurs-imageurs : lunettes , telescopes
objectif = lentille placée du coté de l'objet observél'objectif donne une image "toute petite" de l'objet observépour 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
objectif oculaireoeilobjet
5UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
principe et intérêt de la lunette
oeil
objectiflunette
amplification angulaire par système afocalgrossissement augmenté, apparence de rapprochement du sujet
oeiloculaire
lunette
plus grosplus écartés
6UNSA_2012-2013 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 vuecollecteur
champde vue
diaphragmede champau foyer
montage typique :config. optique
instrumentation mesures
pupille d'entrée
pupille de sortie
focale équivalente
champ de vue
7UNSA_2012-2013 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 champobjet faible : grande sensibilité photometrique ou longue poserecherche de la structure de detail : resolution angulaire
la resolution accessible sur l'objet dependde 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
8UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
retour sur la refexion .....pour arriver aux telescopes
Centrede courbure
C
incident réfléchii i '
vision intuitive et phenomenologique : on considère le miroir comme localement plan au point d’impact du rayon incident
Foyer
9UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
telescopes : une transformation de l’emploi de la lunette au moyen de miroirs
10UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
11UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
12UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
telescope de Schmidt
l'image d'un point lumineuxsubit l'aberration de comaquand elle s'éloigne du centre du champ
un immense appareil photo grand champune lame en entréeau profil étudiépour corriger l'aberration de coma
très important
une variante très populairela configuration schmidt-cassegrain
13UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
14UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
configuration « newton »
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configuration « cassegrain »
16UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
configuration « cassegrain afocal »
17UNSA_2012-2013 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 fixemettre en place deux axes de rotation du tubecommander le mouvement du tube (entrainement ou poursuite)
deux familles principales pour le mouvement du tube (liées aux repères astro)
monture equatorialemonture alt-azimuthale (ou simplement azimuthale)
d'autres approches existent ( on a pas le temps):monture alt-alt, monture sphérique, ...
18UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
mécanique : les axes et l'entrainement, toujours trois axes à gérercas : monture équatoriale
visée pole celeste N
horizonlocal
axe dedeclinaison
SUD
zenith
EstNord
Ouest
Pnord
H
lien avecrepère équatorial
le tube est entrainé dans un mvt de rotationvitesse :un tour en un jour sidéralle tube est incliné d'un angle par rapport à l'equateur, et reste à la bonne déclinaisonpendant la poursuite . Une seule commande de mvt, mvt uniforme
19UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
mécanique : les axes et l'entrainement, toujours trois axes à gérercas : monture alt-azimuthale
sud local
zenith
a
h
au cours de la poursuite a et h doivent être continuellement ajustéssur la direction de l'astrel'entrainement est moins simple qu'avec la monture équatorialedeux mouvements non uniformes
SUD
zenith
EstNord
axe dehauteur
axeazimuthal mvt
hauteur
mvt azimuth
20UNSA_2012-2013 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
coudéaxe de hauteur
S
E
W
N
table de manip
nasmyth
21UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
illustrations
22UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
lunettes illustration
Galilée, 1609, diametre 3 cm
Yerkes, 102 cm, record mondial
23UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
telescopes illustrationNewton, 1642- 17xx
ESO VLT_Unit 8m
projet ESO_OWL 100 m ($$$$), devenu ELT 35 m($$)
CFHT 3.6m
24UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
illustration : monture equatoriale
CFHT 3.6mfer à cheval
allemande à contrepoids
Yerkes
25UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
illustration : configuration Nasmyth
VLT 8m
Keck10m
26UNSA_2012-2013 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
27UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instrumentsLarge Binocular Telescope, 2 x 8 m
28UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
Extremely Large Telescope European Southern ObservatoryELT_ESO
projet en cours
29UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
SPACE ! illustration
30UNSA_2012-2013 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)
31UNSA_2012-2013 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 toutesles longueurs d'onde
longueur d'onde
32UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
quelques problèmes (parmi d'autres) pour l'Espacele côut d'une mission !
le temps de réalisationtypiqmt vingt ans pour un projet spatialavant lancement
et l'encombrement croissantde l'Espace par les débris spatiaux
33UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
il y a aussiles radio-telescopes
pour les autres domaines que visible , IR et radio on va plutôt dans l'espace
34UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
radiotelescopes : type assiette
arecibo, puerto-ricocuvette naturelle équipée
diametre 300 mnacelle mobile au foyer
35UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
radiotelescope de Nançay ( France) miroir 200 m
chariot focal mobilepour suivre le pointage
36UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
Very Large Array
( Socorro,new mexico,USA)
37UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
astronomie non photonique illustration
antarès et superkamiokandédétection de neutrinos
virgo et lisa (space)detection des ondes gravitationnelles
38UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instrumentsatmosphere : un composant important des instruments au sol
atmosphere : un composant important des instruments au sol
description physiquestructurecomposition
effets sur l'observationrefractionabsorptionturbulence
description physiquestructurecomposition
effets sur l'observationrefractionabsorptionturbulence
39UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
6300 km6300 km
1 00 km1 00 km
'atche bioutifulle !
40UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
atmosphère : structure et composition chimiquela 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 N2 (78%), oxygène O2 (21%), gaz rares (Argon, Néon, Hélium...) et dans les basses couches, vapeur d'eau H2O, dioxyde de carbone CO2 .Traces de méthane CH4 et autres
41UNSA_2012-2013 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 redistributionde 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
42UNSA_2012-2013 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
43UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
effets sur observations _ 2
réfraction_1
juste pour le plaisir
44UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
effets sur observations _ 2
réfraction_2
En première approximation, on peut considérer quel'atmosphère agit comme une lame à faces parallèleset les rayons incidents sont déviés par effet de réfraction (indice nair = 1.0003...)
la distance zenithale "z" calculée (à partir de a et d)est falsifiée : la direction de pointage devient "za"
calcul de l'écart dz = z – za : on écrit la loi de Descarteset on approxime en remarquant que dz est petit (indice faible effet faible)
z : distance zenithaleréelle de l'astre
Z
direction apparente
za
z
dzsin.zcosdzcos.zsin.n)dzzsin(.nzsin.nzsin a
dzdzsinetdzcos 1 un peu d'algèbre et on obtient ztg.n
ndz
1
et finalement (avec n = 1+ 3.10 –4 ) ztgmin)arc(dzoù'dztg..)radian(dz 4103
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° ?)
...B
A)(n 21
45UNSA_2012-2013 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 atmosphériquesque sont établies les bandes du systeme JP11
I J KHL M
N
conséquences : certains domaines spectraux sont inaccessibles depuis le sol la transmission dans les fenetres n'est pas forcément stable
46UNSA_2012-2013 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 Beerdhàet)h(Iànelproportion)h(dI)h(I)dhh(I
facteur de proportionnalité : (h), lié à l'absorbant (ou plusieurs)
intuitif
dh.)h(I.)h()h(dI résolution de l'equation différentielle : d'où (avec : épaisseur optique)
MAX
min
MAXmin
h
h
hh dh.)h()h(ILog
un peu d'algèbre et on arrive à l'intensité I0 au sol, à partir de l'intensité I hors atmosphère )exp(.II 0
on pose )exp(tatm
tout ça concerne la propagation verticale, et si c'est oblique ??
47UNSA_2012-2013 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 reprisavec dh/cos z au lieu de de dh, et on arrive à :
)zsec.exp(.I)z(I)zcos
exp(.I)z(I 00
on appelle masse d'air la quantité sec zelle 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/2l'hypothèse "lame à faces parallèles" ne tient plusà cause de la rotondité de la Terre.
l'épaisseur d'atmosphère minimale pour une étoile donnéea 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
48UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
effets sur observations _ 6
absorption_4
Pierre Bouguer1698-1758
la dépendance en z permet de mesurer la transmission :méthode de la droite de Bouguer
)zsec.exp(.I)z(I)zcos
exp(.I)z(I 00
observation serie de couples ( z, I0(z))graphe (sec z, Log(I0(z))
+++
+ +sec z
Log I0(z)
(secz)min sec z=1
vers la culminationzsec.)I(Log))z(I(Log 0
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 : tatm = exp(-)
(secz)min sec z=1
Bonus : malgré que sec z ne prenne pas de valeurs inférieures à 1on peut prolonger la droite vers l'axe des ordonnéeset l'on obtient Log(I) à l'intersection, ce qui donne aussi une mesure de
+++
+ +sec z
Log I0(z)
Log(I)
49UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
effets sur observations _ 7dégradation provoquée par la turbulence atmosphérique (Kolmogorov)
variation aléatoire de la distribution inhomogène de l'indice de réfractionL'effet porte sur le front d'onde qui est aléatoirement distordu
n
front incidentfront émergent
n
front incident front émergent
rappel
front d'onde incidentplan
front d'onde émergentdistordu
les distorsions de front d'ondese traduisent principalementpar 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
50UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
P : pistonintervient 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 tout bouge tout bouge
tout bouge
f()
P
TTtél.2
tél.1
effets sur observations _ 8
au lieu de la tache d'Airyon observe un "speckle pattern"( voir plus loin)
dégradation des images_2
51UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
effets sur observations _ 9
paramètres caractéristiques et comportements
r0 : 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)r0 5 cm à 20 cm en visible O 1 à 10 msec 2 arcsec
5300
/zcos.r)(r 5300
/zcos.)( 58550
/m.vis zcos.)()(
dépendance en z
comment évaluer (caractériser) les effets de la turbulence ?
56
55000
m.vis
.r)(r
56
55000
vism.vis .)()(
56
550
vism.vis .)()(
dépendance en (plus grand séverité plus faible) convention : r0 concerne 0.55 m
52UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
illustration : speckle pattern
/r0
/D
53UNSA_2012-2013 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"
54UNSA_2012-2013 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 zénithalesfaible 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, calibrationcorrection " 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 ?
55UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
optique adaptative
56UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
illustration optique adaptative _ 1
57UNSA_2012-2013 master CST IUFM Yves Rabbia, OCA Lagrange chap 8 instruments
illustration optique adaptative _ 2 ( clip Gemini )