Coronographe du Pic du Midi

La coronographie étudie la couronne (atmosphère) solaire constituée de gaz de faible densité dont la température peut atteindre deux millions de degrés. La difficulté, pour observer cette couronne, réside dans le fait que sa luminosité est environ un million de fois plus faible que celle de la photosphère (surface solaire) ce qui a pour effet de la "noyer" dans le flux de lumière que nous recevons. Le coronographe installé sous la coupole du Pic du Midi à 2877m d'altitude (image ci-dessous)  rejette la lumière de la photosphère afin de permettre l'observation de la couronne solaire.

Ci-dessous, la même coupole, vue de l'intérieur. Le coronographe CLIMSO est fixé à la table équatoriale qui sert à compenser la rotation terrestre afin de rester pointé sur le Soleil. Quatre instruments constituent cet ensemble dédié à la prise de vue dynamique du disque et de la couronne solaire.

Avant que naisse la coronographie, les seules périodes où l’on pouvait observer cette couronne étaient les éclipses totales de Soleil qui, malheureusement, ne durent que quelques minutes et sont fort rares.

Par exemple, en France depuis le 12 mai 1706, nous n’avons pu observer que cinq éclipses totales soit, en moyenne, une éclipse tous les soixante ans. La dernière en date , visible depuis la France a eu lieu le 11 aout 1999, à cette époque je ne m'étais pas penché sur l'astronomie mais j'ai le souvenir d'avoir vu sur les arbres une multitude de croissants de Soleil Ainsi, la prochaine éclipse totale visible depuis notre pays aura lieu le 5 novembre 2081. L’astronome français Bernard Lyot qui souhaitait étudier la couronne solaire eut l’idée de reproduire artificiellement une éclipse totale.

Pour cela, il imagina le principe du coronographe et le fit réaliser pour l’installer au Pic du Midi. C’est ainsi que naquit, la coronographie, il y a plus de soixante dix ans.

L’actuel coronographe Climso est un descendant de l’instrument de Bernard Lyot. Il se compose d’une structure, supportant quatre ensembles optiques, fixée sur une table équatoriale motorisée installée sous une coupole de l’observatoire du Pic du Midi. Situé à 2865 mètres il bénéficie d’un ciel d’une qualité exceptionnelle.

L’instrumentation optique est équipée de caméras numériques qui autorisent l’étude des phénomènes dynamiques qui se déroulent sur le Soleil et intègrent l’hétérogénéité de leurs caractéristiques physiques (températures, champs magnétiques et électriques ). L’ensemble, opérationnel depuis 2007, est composée des instruments suivants:

  • Un coronographe dédié à l’observation de la couronne dite «froide» ( 20 000°C) dans la longueur d’onde de l’hydrogène alpha:  hα (656.28 nm).
  • Un coronographe dédié  à l’observation de la couronne dite «chaude» ( < 1 000 000 °C)  dans la longueur d’onde de l’hélium (HeI 1083.0 nm, et du fer (Fe XIII 1074.9 nm, 1079.8 nm et 1077.0 nm (continuum inter raies).
  • Une lunette  dédiée à l’observation de la surface « ions légers » dans la longueur d’onde de l’hydrogène alpha.
  • Une lunette dédiée à l’observation de la surface « ions lourds » (maillage magnétique) sur les longueurs d’onde du calcium ( K 393,36730nm et K 393,36863 nm) aussi nommées K1 et K3 dans les raies de Fraunhofer.

Lors d’une éclipse, le disque solaire est masqué par la Lune, ainsi la lumière de la couronne n’est pas mélangée avec celle du disque. En revanche, la lumière solaire qui arrive vers le coronographe est constituée de la lumière du disque et de celle de la couronne. Il convient donc de trouver un moyen de les dissocier. Bien qu’assez aisé à comprendre, le montage optique du coronographe fait appel à des filtres, diaphragmes ou lentilles, très élaborés. Schématiquement, à l’entrée du coronographe, un objectif constitué d'une lentille simple "apodisée*" forme l’image du Soleil à son foyer situé précisément sur le disque occulteur. Ce disque, qui joue en quelque sorte le rôle de la Lune lors d’une éclipse totale, doit couvrir très exactement le disque solaire de telle sorte que ne subsistent que les rayons lumineux issus de la couronne.

* L'apodisation est un procédé destiné à restructurer la tache de diffraction
produite par un instrument d'optique afin de réduire l'intensité gênante de son deuxième maximum.

Dans  le montage optique du coronographe viennent s’insérer des lentilles ayant pour objet (c’est le cas de L1) de produire une image correcte sur le diaphragme de Lyot, en la débarrassant de la lumière parasite diffractée par l’objectif. Les lentilles L2 et L3 ont pour objet de donner une image dont les rayons sont parallèles afin de pouvoir utiliser au mieux le filtre monochromatique Hα avant que la lumière filtrée ne soit refocalisée vers le capteur de la caméra CCD par l’intermédiaire de l’objectif de cette dernière.
Sur les quatre images ci-dessus, on peut voir(1) la lumière  du Soleil  telle qu’elle arrive vers l’objectif du coronographe, puis(2) telle qu’elle se présente après que le disque occulteur ait dissimulé le disque solaire. Puis, après son passage dans le filtre Hα(3), et telle qu’elle parvient(4)sur le capteur de la caméra.

Tout serait trop simple si une variable ne venait impacter cet ensemble. Cette variable n’est autre que la distance de la Terre du Soleil qui évolue au cours de l’année en raison de la trajectoire elliptique de notre planète. De ce fait, le diamètre du Soleil apparait d’autant plus gros que nous sommes rapprochés de lui et d’autant plus petit que nous en sommes éloignés. Il faut donc que le diamètre du disque occulteur du coronographe évolue en fonction de la dimension relative du Soleil. Pour cela, l’observateur doit intervenir régulièrement sur le coronographe pour remplacer le disque occulteur; il s’aide d’un graphique (ci-dessus) qui détermine la taille optimale du disque occulteur en fonction de la date.

Contrairement à ce que l’on pourrait penser, ce n’est pas l’été que nous sommes le plus proche du Soleil mais bien l’hiver. En Janvier nous sommes 5 millions de km plus près du Soleil qu’en Juillet où il se situe alors à 152 millions de km de la Terre. Nos saisons résultant essentiellement de l’inclinaison de la Terre sur sont axe et non pas de sa distance au Soleil. Pour pouvoir effectuer les opérations courantes sur les lunettes ou les coronographes, comme c’est par exemple le cas pour le remplacement du disque occulteur, on utilise un chariot élévateur qui permet de se positionner devant la trappe ouvrant sur la zone d’intervention.  L’image de détail, ci-contre, montre l’assemblage comportant le cône qui a pour effet de dissiper une grande partie de la lumière solaire qui arrive sur le disque occulteur afin de protéger d’un échauffement excessif ce dernier et surtout les parties optiques situées dans le faisceau de lumière. Il convient alors de déposer ce cône, la rondelle isolante en mica puis le disque et de le remplacer par le nouveau disque, avant de remonter l’ensemble. Cette opération doit être effectuée avec des gants de protections en tissus, afin de ne pas altérer les pièces que l’on manipule. Ici le disque occulteur que j’installe sur le coronographe C1 fait 22,95 mm de diamètre, il vient en remplacement d’un disque de 23,00 mm. (Le même type d’opération doit aussi être réalisée sur le coronographe C2).

Vers 1990, la couronne solaire était encore observée en continu au Pic du Midi, jusqu’à ce que des restrictions budgétaires remettent en cause les ressources humaines nécessaires à ces opérations et qu’en 1998, le site lui-même soit menacé de fermeture. Face au manque de moyens, les observateurs bénévoles qui travaillaient sur le coronographe n’eurent d’autre recours que de faire appel à des fonds privés pour financer la poursuite de leur travaux. C’est ainsi que le projet Climso, qui vit le jour en avril 2004, trouva son aboutissement lorsque l’instrument fut inauguré en septembre 2007, grâce au mécénat de Christian Latouche, PDG du groupe Fiducial et aux efforts conjugués d’astronomes, de chercheurs et techniciens, ainsi que de l’Observatoire Midi-Pyrénées.

Une soixantaine d'Observateurs Associés dont j'ai la chance de faire partie depuis plusieurs années se relaient tout au long de l’année, par équipe de deux, pour effectuer les observations et l’imagerie de l’activité solaire. Ci-dessous, installé au poste de pilotage du coronographe je surveille le bon déroulement des opérations. L'attention continue que nécessite ce suivi impose la constitution de tandems d'observateurs. Laisser un tel ensemble en mouvement sans une surveillance de tous les instants représente un facteur risque trop important.

Lors des séjours en altitude, on s’expose à des risques de troubles physiologiques (maux de tête, insomnies, essoufflements, malaises…) en raison de la raréfaction de l’oxygène contenu dans l’air. Cependant, l’opportunité d’être aux commandes de ce matériel aide généralement à dépasser ces désagréments. Les mission des Observateurs Associés sont diurnes, ainsi, lorsque l’astronome "classique" s’endort, celui qui opère sur le coronographe débute sa journée. Après le lever du Soleil, il doit se rendre à la salle de pilotage située contre la coupole pour effectuer les opérations de démarrage du coronographe. Les écrans de contrôle et de pilotage doivent être opérationnels et les quatre caméras doivent avoir atteint leurs températures nominales de fonctionnement soit -20°C. Durant le temps d'attente pour l'initialisation des divers processus, l'observateur se rend au "labo" situé un étage au dessous et il lance alors l'informatique qui va se charger de récupérer les images prises tout au long de la journée et également de traiter ces dernières pour les envoyer à vers les bases de données Bass 2000-Meudon et de l’observatoire Midi-Pyrénées. La journée d’un observateur n’est donc pas de tout repos, d’autant que durant toute la période d’observation il doit surveiller l’alignement des coronographes sur le Soleil et piloter la monture en conséquence tout en déclenchant les prises de vue des quatre caméras. Heureusement des document qui se présentent sous la forme de "check list" permettent de dérouler les différents opérations dans un ordre bien défini. On pourrait presque dire que pour piloter CLIMSO, il suffit de savoir lire...

Une fois ces "lancements" effectués, l’observateur regagne la salle de pilotage pour achever les derniers préparatifs relatifs au pointage de l’instrument. En premier lieu, il convient de pointer C1 vers le Soleil de telle sorte que le disque occulteur vienne masquer parfaitement le disque solaire pour ne laisser apparaitre que la couronne (image 3). Il utilise un pupitre de commande ou un joystick pour agir directement sur les moteurs "vitesse lente" de la monture équatoriale. Le pupitre dispose également de commandes destinée aux moteurs en vitesse rapide, utilisée lors des déplacements de grande amplitude.

Ci-contre (image 4) ensemble moteur/embrayage de la monture. L’opération de pointage du coronographe C1 s’effectue en relation avec l’écran de contrôle de C1 (image3). Lorsque ce pointage est effectué, il reste encore à aligner le second coronographe C2 sur C1. On utilise alors un système de pointage indépendant actionné par deux moteurs commandés séparément via l'écran de contrôle ou "superviseur". Ci-dessous, le système de pointage de C2 qui utilise deux moteurs pilotés informatiquement qui déplacent des platines coulissantes supportant la partie arrière du coronographe C2.

 

Les opérations de pointage optique achevées on procède à l’acquisition préalable de BIAS, DARK et PLU. Pour cela, on utilise l’écran du superviseur (ci-dessous) qui permet l'accès aux principales opérations sur l'instrument, par l'intermédiaire de boutons/pavés cliquables caractérisés par un code couleur qui évolue suivant l'état des commandes: orange = attendre (commande non opérationnelle) ou vert = OK (commande opérationnelle).

Tout au long de la phase d’acquisition des images l’observateur doit s’assurer de la qualité des alignements de C1 et C2 et, au besoin effectuer des retouches, ce qui demande une attention constante. Depuis 2015 un système original d'autoguidage de C1 a été développé pour assister l'opérateur. Il utilise une lentille de Fresnel et une caméra CCD, pointés séparément sur le Soleil et couplés à un logiciel qui compare les écarts de position entre les images issues de cette caméra et celles issus du coronographe, pour permettre d'envoyer directement des impulsions de corrections aux moteurs des deux axes de la monture.

Descriptif du panneau de commande:

1: Informations sur les process en cours.
2: Pavé de visualisation de la position de la roue à filtres située devant les instruments optiques.
3: Boutons de sélection des positions de la roue à filtres.
4: Boutons de contrôle des axes de l’alignement fin de C2.
5: Indication de l’état des caméras et de leur températures respectives.
6: Commandes des poses d’images qu’on peut effectuer séparément ou simultanément.
7: Boutons de transfert d’images en temps réel vers la base de donnée Bass 2000.

Le pilotage du coronographe donne au joystick et à la souris des rôles prépondérants. On pourrait à ce titre le comparer à un jeu vidéo  un peu particulier car derrière la fenêtre du poste de pilotage évoluent quelques tonnes de matériel qui n’ont rien de virtuel !

 NB: Courant 2016, un nouvel interface nommé "IHM" (interface homme machine) a été mis en place (image ci-dessus). Il intègre et améliore les commandes de l'ancien interface. Il est un des élément résultant d'une jouvence informatique profonde qui a intégré la virtualisation et fiabilisé l'ensemble des commandes. Parallèlement le changement des caméras CCD par des modèles plus performants a été opéré avec succès. Enfin, la mise en place d'un nouvelle manip dédiée à l'étude du Fer XIII (qui pourrait permettre de mettre en évidence des phénomènes magnétiques encore mal connus) inscrit le coronographe dans une dynamique active de contribution à la recherche fondamentale. J'aurai l'occasion d'actualiser cet article à l'issue de mes prochaines missions pour décrire plus précisément ce qui caractérise l'évolution du coronographe.

 Ci-dessous: quatre images après leur traitement, telles qu'elles sont envoyées aux bases de donnée. On transmet également des montages vidéo issus de ces mêmes images.

1: Image composite Coronographe C1/ lunette L1.
2: Image du coronographe C1(Hydrogène alpha)
3:Image de la lunette L1 (Hydrogène alpha)
4: Image de la lunette L2 (Calcium)

La masse des images solaires recueillies au Pic du Midi représente sur une année plus de 800 gigabits. Elles montrent, l’évolution des protubérances et des taches solaires au cours d’une journée. Elles sont à disposition de la communauté scientifique et du public via le site Bass 2000 (base de données solaires au sol) gérée par l’observatoire astronomique de Paris, situé à Meudon et qui regroupe également des images issues d’autres instruments (héliographes, spectrohéliographes et  radiohéliographes).
 http://bass2000.obspm.fr/home.php?exp=8