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 2877 m 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. Au XVIIème siècle les astronomes devaient envisager de longs et périlleux voyages, afin de se rendre sur les différents lieux du globe (excepté les mers et océans). L'exemple de Le Gentil de la Galaisière * (voir à la  fin de cet article) illustre les péripéties de tout ordre que ces derniers pouvaient rencontrer.

Par exemple, en France depuis le 12 mai 1706 jusqu'à aujourd'hui, 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 (Helium (HeI 1083.0 nm),  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 (ci-dessus), la lentille L2 a 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 la lentille L3 .

Sur les quatre images ci-dessus, on peut voir la lumière du Soleil  telle qu’elle arrive vers l’objectif du coronographe (1) , puis telle qu’elle se présente après que le disque occulteur ait dissimulé le disque solaire (2). Puis, après son passage dans le filtre Hα (3) et telle qu’elle parvient sur le capteur de la caméra (4).

Tout serait trop simple si une variable ne venait impacter cet ensemble. Cette variable n’est autre que la distance de la Terre au Soleil qui évolue au cours de l’année en raison de la trajectoire elliptique de notre planète.

De ce fait, le diamètre du Soleil apparaît 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 son 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 sur le coronographe C1 fait 22,95 mm de diamètre, il vient en remplacement d’un disque de 23,00 mm. (Le changement des disques sur les deux coronographes s'effectue donc périodiquement afin de suivre l'évolution dans le temps de la taille relative du Soleil).

Vers 1990, la couronne solaire était  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 et grâce à l'opiniâtreté de l'astronome Jacques Clair Noens, une poignée d'observateurs bénévoles qui travaillaient avec lui sur le coronographe n’eurent d’autre recours que de faire appel à des fonds privés pour financer la poursuite de leurs travaux. C’est ainsi que le projet Climso, vit le jour en avril 2004 et 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.

Environ 80 Observateurs Associés se relaient aujourd'hui 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.

Remarque : 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. Les séjours en altitude nécessitent donc quelques précautions si l'on est affecté par des pathologies cardiaques ou respiratoires.

Les missions 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 sous la coupole pour effectuer les opérations de démarrage du coronographe. Les écrans de contrôle et de pilotage doivent être opérationnels et les quatre caméras constamment sous tension fonctionnement à une température nominale de -20°C (elles sont équipées de système de refroidissement, contribuant à réduire le" bruit" au niveau des capteurs CCD). Après les acquisitions d'images de la journée sur les quatre instruments, à raison d'une image par minute et par instrument, l'observateur se rend au "labo" situé un étage au-dessous et lance alors les routines de traitement informatique des images acquises durant la journée. A ce stade seront intégrés les "dark", "bias" et "plu" effectués avant les premières prises de vue du matin. Une fois les images traitées, elles sont envoyée à vers les bases de données Bass 2000-Meudon et de l’observatoire Midi-Pyrénées.

Lorsque le ciel est sans nuages, la journée d’un observateur est bien remplie, 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. 

Un nouvel interface IHM ainsi que l'autoguidage peuvent permettre d'effectuer les opérations de centrage/suivi et de prise de vue en mode automatique (à l'instar du pilote automatique d'un avion) mais n'excluent pas une surveillance et la reprise en main du pilotage par l'observateur. Pour cela, un document constamment réactualisé, qui se présente sous la forme de "check list", permet à l'opérateur de prendre la main sur les différentes opérations nécessaires au bon fonctionnement de l'ensemble. On pourrait presque dire que pour piloter CLIMSO, il suffit de savoir lire...
Avant les premières prises de vue avec les instruments, il convient de pointer C1 (coronographe-H.alpha) vers le Soleil, de telle sorte que le disque occulteur vienne masquer parfaitement le disque solaire pour ne laisser apparaître que la couronne (image 3).

Pour cela l'observateur 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 l'interface afin d'obtenir une couronne parfaitement centrée, comme le montre cette prise de vue (image 3) issue de l'écran mural restituant les prises de vue sur C1. 

Lorsque ce pointage avec C1 est effectué, il reste encore à aligner le second coronographe C2. On utilise alors un système indépendant actionné par deux moteurs commandés séparément via l'écran de contrôle de l'IHM.

Ci-contre, le système de "pointage" de C2 utilise deux moteurs qui permettent le déplacement de deux platines coulissantes fixées sur la partie arrière du coronographe C2. La position relative de C2 par rapport à C1 peut donc par ce biais être maitrisée. En effet les contraintes mécaniques sur la structure supportant les instruments occasionnent des flexions ou d'autres déformations qui rendraient, si elles n'étaient pas compensées, quasiment impossible un alignement simultané des deux coronographes sur le Soleil. 

Une fois les opérations de pointage optique achevées on procède à l’acquisition préalable de BIAS, DARK et PLU évoqués précédemment. 

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 de guidage automatique  imaginé par Laurent Koechlin de l'IRAP (institut de recherche en astrophysique) a été développé pour assister l'opérateur. Il présente l'originalité d'utiliser une lentille de Fresnel couplée à une caméra CCD. Solidaire de la monture, pointée sur le Soleil et couplée à un logiciel, le système compare les écarts de position entre les images issues de cette caméra et une position de référence.

Lors des opérations de pointage du Soleil effectuées en début de journée, l'observateur utilise les moteurs d'entrainement "est-ouest" et "nord-sud" de la monture équatoriale pour aligner le coronographe C1 sur le disque solaire.  Pour cela, il doit parvenir à visualiser sur son écran de contrôle une couronne solaire parfaitement centrée.

Une fois ce centrage réalisé sur C1, l'observateur peut alors, par le biais de l'interface ci-contre, indiquer au pilote automatique que la position de C1 (donc celle de la monture) doit être prise en compte en tant que position de référence (position de consigne); dès lors, il peut mettre en route le guidage. Le logiciel de guidage va alors mesurer en temps réel les écarts entre cette position de référence et la position réelle (déterminée par l'image de la caméra CCD / Fresnel). Ces écarts gérés par un comparateur (Arduino) vont permettre à ce dernier d'envoyer directement des impulsions de corrections vers les moteurs de mouvement "lents" des deux axes de la monture, afin de rattraper tous les mouvements parasites, généralement liés à la mécaniques de la monture et/ou des structures supportant le coronographe.

Avant la mise en place de l'actuel interface de commande, les observateurs utilisaient l'interface ci-dessous :

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 !

Courant 2016, l'entrée en fonction de l'actuel "IHM" (Interface Homme Machine) ci-dessous, a permis une amélioration très sensible des différentes commandes ainsi qu'une automatisation plus poussée de certaines fonctions, comme par exemple celles de mise en route des caméras (qui en réalité sont en permanence sous tension et à une température nominale de -20°C)  les prise de vue des Dark, Bias et Plu, ou le montage et l'envoi d'images sur la base de donnée Bass 2000...

Cette interface totalement repensée résulte d'une jouvence informatique profonde qui, par le biais d'une intégration de la virtualisation a permis de dissocier informatiquement les commandes sur chacun des instruments, concourant ainsi à fiabiliser l'ensemble des commandes. Parallèlement, le changement des caméras CCD par des modèles plus performants a été opéré avec succès. 

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 OVGSO  (Observatoire virtuel du grand sud-ouest - Data center ). Les données collectées par OVGSO sont également transmises à l’observatoire astronomique de Paris, situé à Meudon qui regroupe également des images issues d’autres instruments (héliographes, spectrohéliographes et  radiohéliographes).
liens:  site  OVGSO    -  site Observatoire de Paris Bass 2000

 

Perspectives 

Enfin, la mise en place en 2017-2018 d'une nouvelle "manip" sous le contrôle de l'astrophysicien Arturo Lopez Ariste (CNRS/IRAP) dédiée à l'étude du Fer XIII inscrit CLIMSO dans une dynamique qui pourrait permettre de mettre en évidence des phénomènes magnétiques encore mal connus. L'illustration ci-dessous, en particulier la zone colorisée en vert, montre une image composite réalisée dans la raie du FerXIII  à la longueur d'onde 10747 Ångström. Au sein de cette  zone nommée "couronne chaude" évoluent des boucles dont la température atteint 1 000 000°K. L'étude approfondie des ondes quantiques qui se propagent le long de ces boucles, trace des perspectives de développement de l'instrumentation  qui pourrait renforcer et conforter la contribution de CLIMSO à la recherche fondamentale.

 

*A propos de la "traque" des éclipses au XVIIIème siècle :

Guillaume Joseph Hyacinthe Jean-Baptiste Le Gentil de La Galaisière (1725 -1792) dit « Le Gentil » est un astronome qui, à 25 ans, devient assistant de Jacques Cassini à l'Observatoire de Paris, avant d’être reçu trois ans plus tard à l’Académie Royale en 1753.
Envoyé en Inde, pour observer depuis Pondichéry le passage de Vénus sur le disque du Soleil, prévu le 06 juin 1671, il part de Brest en mars 1760 à bord d’un navire qui accoste quatre mois plus tard à l’île Maurice (alors "Île de France") . Depuis son départ la France est entrée en conflit avec l'Angleterre (guerre de 7 ans) , ce qui lui laisse peu de chance de trouver un Navire pour l’Inde. Le Gentil patiente cependant près de six mois au terme desquels il contracte une dysenterie qui faillit le faire renoncer à son voyage. Cependant il n’abandonne pas et décide de rejoindre son collègue astronome Alexandre Guy Pingré qui, depuis l’Ile Rodrigue située à 600 km, s’apprête à observer la même éclipse. Le Gentil embarque à bord de la frégate « la Sylphide » assez rapide pour arriver à destination après deux mois de mer. Bénéficiant de vents favorables le début du voyage pour atteindre la Réunion puis le 7ème parallèle s’effectue sans peine. Mais la mousson survient et leur barre la route. Le navire doit lutter contre un océan hostile durant cinq semaines avant de pouvoir rejoindre la côte indienne de Malabar. Le Gentil apprend alors que le conflit entre la France et L’Angleterre lui interdit d’accoster à Pondichéry. Le navire reprend alors la mer vers Ceylan mais, arrivé à destination, Le Gentil doit renoncer à rejoindre Pondichéry et reprendre la mer le 30 juin pour regagner l’île Maurice. L’éclipse aura bien lieu comme prévu alors que le Gentil est sur le Bateau dont les mouvements lui interdisent la moindre mesure de mesure sur une éclipse qui, d’où il se trouve n’est plus que partielle. L’astronome alors désespéré se résout à patienter en restant dans cette région du globe durant les huit années qui le séparent du prochain passage de vénus devant le Soleil. Il avait initialement prévu d'observer le transit de 1769 depuis Manille. Mais en conflit avec les autorités Espagnoles occupant les lieux et qui le prenaient pour un espion, il fut contraint de se reporter sur le site de Pondichery qui venait d'être restitué par les anglais à la France. ( Il avait profité cependant de cette longue attente pour effectuer diverses expéditions ethnologiques, géologiques, botaniques, cartographiques entre Manille et Madagascar, car à cette époque, en effet, ce qui n’est plus le cas aujourd’hui, les connaissances des scientifiques d’un astronome dépassaient grandement le cadre de leur spécialité.)
Le Gentil put enfin rejoindre Pondichéry en mars 1768 et le gouverneur lui permit de construire un observatoire où il consacra le temps restant avant le transit à la préparation de l’observation de l'évènement prévue pour le 3 juin 1769.

L'illustration ci-dessous, issue des mémoires de Le Gentil montre l'état de ruines dans lequel d'une partie de la ville de  Pondichéry lorsque le Gentil y débarqua. Les Lettre H-I montrent le délabrement de l'observatoire.

Enfin, le jour « J » arrive. Depuis plusieurs mois, le ciel qui avait été jusque là presque sans nuage se couvrit peu avant l’éclipse au point que le Soleil n'était plus visible. Lorsqu'il réapparut Vénus était déjà sortie du disque solaire, réduisant à néant les années d’attente de l’astronome. Durant les quinze jours qui suivirent Le Gentil, totalement abattu, n’eut même pas le courage d’écrire un courrier à destination de la France pour relater son échec.
Il se résout à rentrer en France et embarque sur un navire qui, comble de malchance, fait naufrage à l'Île Bourbon (île de la Réunion). Il doit alors attendre le passage d'un bateau espagnol  pour espérer regagner la France où il accoste en octobre 1771, soit onze ans et demi après son départ. Ses héritiers l’ayant cru mort avaient déjà engagé les procédures pour se partager son héritage. Son épouse s'était remarié et l’Académie Royale des sciences qui l’avait cru occupé en Inde à tout autre chose que l’astronomie, puis mort, l’avait dépossédé de ses droits et avait déclaré son poste vacant.

Le Gentil dût intenter un procès à ses héritiers, procès qu’il perdit suite à une sombre histoire de vol. Ce n'est que par l'entremise personnelle de Louis XV qu'il put retrouver son poste à l'Académie, assorti d'une pension.  En revanche, il ne put jamais rentrer en possession de ses biens en dépit de nouveaux procès intentés à ses héritiers. Durant les vingt dernières années de sa vie, bénéficiant d'un logement dans l'Observatoire Royal, il put cependant continuer ses travaux, écrire ses mémoires ( publiés en 1779 sous l'intitulé: "Voyage dans les Mers de l'Inde à l'occasion du passage de Vénus le 06 juin 1761 & le 3 du même mois 1769" et même épouser une jeune personne qui lui donna une fille.

Le premier coronographe conçu et installé initialement par Bernard Lyot au Pic du Midi aura eu, entre autres, le mérite d’épargner aux astronomes depuis la fin des années 1930 d’avoir à parcourir la planète à la recherche d’éclipses totales pour observer la couronne solaire. Ainsi, de nos jours, depuis la salle de pilotage du Coronographe CLIMSO, les Observateurs Associés, bien que tributaires des nuages tout comme le fut en son temps Le Gentil, sont en mesure de fabriquer des éclipses leur permettant d’observer la couronne solaire en restant assis dans leurs fauteuils.