Guide de l’observation solaire avec un spectrohéliographe, livre ebook

Le Soleil, étoile proche et dynamique, offre une richesse d’observations accessibles grâce à des techniques adaptées. Cet ouvrage présente la spectrohéliographie, une méthode désormais à la portée des amateurs, pour étudier notre étoile en détail. Avec Sol’Ex, le Solar Explorer, un instrument compact et léger conçu par les auteurs, transformez une simple lunette astronomique en un outil d’observation puissant. Observez un Soleil vivant : ses taches, ses éruptions, ses protubérances spectaculaires, son magnétisme, son atmosphère d’hélium, et même sa couronne, désormais visibles en dehors des éclipses.
Plus qu’un guide pratique, ce livre vous révèle les principes des spectrohéliographes et de la spectroscopie, illustrés par des exemples concrets et des schémas clairs. Les auteurs vous accompagnent dans un parcours pédagogique complet, accessible aux débutants comme aux étudiants.
Les auteurs partagent ici leur expertise. Leur démarche, à la fois précise et accessible, vous donne les clés pour observer, comprendre et interpréter le Soleil sous un jour nouveau : une aventure scientifique et visuelle à la portée de tous !

1 Introduction 1

2 Le Soleil 5

2.1 Le Soleil est une étoile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2 Une boule de gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.3 L’anatomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.4 La photosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.5 La chromosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.6 La couronne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3 Du spectre à l’image du Soleil 19

3.1 Le Soleil dévoilé par son spectre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.1.1 Un peu d’histoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.1.2 Longueur d’onde et énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.1.3 L’origine des raies spectrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.1.4 Le spectre continu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.1.5 Le spectre de raies en absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.1.6 Le spectre d’émission de la chromosphère . . . . . . . . . . . . . 27

3.2 Du spectre à l’image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.2.1 Le principe du spectrohéliographe . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.2.2 L’exploitation du spectrohéliographe . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.2.3 Quel spectrohéliographe ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.2.4 Que trouve-t-on à l’intérieur et à l’extérieur ? . . . . . . . . . . . 32

3.2.5 L’utilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.3 Les performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.3.1 La résolution spectrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.3.2 La résolution angulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.3.3 En synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.4 De l’utilité de la performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.4.1 L’effet Doppler-Fizeau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.4.2 L’effet Zeeman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4 Un instrument d’optique 55

4.1 Optique géométrique et physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.1.1 Retour sur la nature de la lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.1.2 L’optique géométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.1.3 L’optique physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.2 Où et comment transporter une image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.3 Combinaisons optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.4 Sol’Ex : un schéma optique classique et éprouvé . . . . . . . . . . . . . 64

4.5 La fente d’entrée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.5.1 La technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.5.2 L’impact sur la résolution spectrale . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.6 Les objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.6.1 L’objectif collimateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.6.2 L’objectif de caméra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4.7 Le réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.7.1 Rappel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.7.2 Angles d’incidence et de diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.8 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.9 La résolution spectrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.9.1 De l’importance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.9.2 La théorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.9.3 La pratique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.10 La résolution angulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

4.10.1 La résolution angulaire suivant l’axe temporel . . . . . . . . . . 88

4.10.2 La résolution angulaire suivant l’axe transverse . . . . . . . . . 92

4.11 Le champ image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.11.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.11.2 Les limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.11.3 Le calcul du champ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

5 L’assemblage 97

5.1 Le fait soi-même . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

5.2 L’ensemble mécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

5.3 L’ensemble optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

5.4 Les accessoires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

5.5 Le montage de l’objectif collimateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

5.6 Le montage de la fente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

5.7 Le montage de l’objectif de caméra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

5.8 Le montage de la caméra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

5.9 Le montage du réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

5.10 Le montage de l’index des longueurs d’onde . . . . . . . . . . . . . . . 112

6 Le réglage 113

6.1 Fabriquez une petite lunette d’observation . . . . . . . . . . . . . . . . 113

6.2 Le réglage grossier du système collimateur . . . . . . . . . . . . . . . . 116

6.3 Identification et centrage de la raie H. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

6.4 Le réglage fin du système collimateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

6.4.1 Le but . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

6.4.2 L’astigmatisme du réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

6.4.3 Fabriquer un bord de plage artificiel . . . . . . . . . . . . . . . . 123

6.4.4 La mise en oeuvre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

7 Le matériel d’observation 129

7.1 La lunette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

7.1.1 La distance focale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

7.1.2 Le rapport « focale sur diamètre » . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

7.1.3 Lunette ou télescope ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

7.1.4 L’interface avec le spectrohéliographe . . . . . . . . . . . . . . . 139

7.1.5 Le porte-oculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

7.1.6 L’optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

7.1.7 Quelques exemples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

7.2 La monture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

7.2.1 Rappel sur le mode opératoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

7.2.2 Le choix de la monture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

7.2.3 La régularité du balayage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

7.3 De l’importance d’atténuation du flux solaire . . . . . . . . . . . . . . . 156

7.3.1 L’utilisation d’un filtre neutre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

7.3.2 L’utilisation d’un hélioscope de Herschel . . . . . . . . . . . . . 165

7.3.3 L’utilisation d’un filtre ERF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

7.4 La caméra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

7.4.1 Le choix du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

7.4.2 Caméra couleur ou monochrome? . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

7.4.3 Un capteur type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

7.4.4 Augmenter le gain de la caméra : une fausse bonne idée ? . . . . 175

7.4.5 La dynamique des images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

7.4.6 Gain et dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

7.4.7 De l’importance du bruit de lecture . . . . . . . . . . . . . . . . 180

8.1 Rappel sur le mode opératoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

8.2 La prise en main du logiciel d’acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

8.3 Le pointage du Soleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

8.4 La mise en station . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

8.5 La focalisation de la lunette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

8.6 L’orientation du spectrohéliographe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

8.7 Le centrage fin du Soleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

8.8 Le centrage de la raie H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

8.9 L’orientation de l’axe spectral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

8.10 La focalisation du spectre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

8.11 Le centrage du spectre suivant l’axe spatial . . . . . . . . . . . . . . . . 197

8.12 La focalisation fine de l’image du Soleil sur la fente . . . . . . . . . . . 198

8.13 Le choix de la largeur de fente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

8.14 Le temps d’exposition et la vitesse de balayage . . . . . . . . . . . . . . 201

8.15 Le réglage du logiciel d’acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

8.16 La première image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

8.17 Les contrôles et ajustements de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

8.18 Le binning et la taille des fichiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

8.19 Retour sur l’astigmatisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

8.20 Savoir vivre avec la turbulence atmosphérique . . . . . . . . . . . . . . 213

8.21 Changer la longueur d’onde de travail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

9 INTI et INTI Partner 217

9.1 L’utilisation d’INTI en un clic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

9.2 L’état des lieux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

9.3 L’obtention de l’image monochromatique . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

9.3.1 La modélisation de la fente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

9.3.2 La construction de l’image monochromatique . . . . . . . . . . 223

9.4 La correction du transversalium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

9.5 La correction du tilt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

9.6 La correction de l’ovalisation (facteur SY/SX) . . . . . . . . . . . . . . 230

9.7 La visualisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

9.8 La réduction du bruit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

9.9 Convention d’orientation du disque solaire . . . . . . . . . . . . . . . . 233

9.10 Le post-traitement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

9.11 L’assemblage d’images partielles du disque . . . . . . . . . . . . . . . . 243

9.12 L’analyse des fichiers SER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

9.13 Se retrouver dans le spectre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

10 Les applications 247

10.1 L’observation multispectrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

10.1.1 Les raies de l’hydrogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

10.1.2 Les raies H et K du calcium ionisé . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

10.1.3 Le triplet du magnésium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

10.1.4 La raie D3 de l’hélium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

10.1.5 La raie infrarouge de l’hélium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

10.2 L’imagerie Doppler-Fizeau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

10.2.1 Objet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

10.2.2 Retour sur la raie rouge de l’hydrogène . . . . . . . . . . . . . . 270

10.2.3 Mouvements dans la chromosphère . . . . . . . . . . . . . . . . 271

10.2.4 Interprétation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

10.2.5 La visualisation du champ de vitesse Doppler-Fizeau . . . . . . 275

10.2.6 Le dopplergramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

10.2.7 L’imagerie Doppler en couleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280

10.2.8 Le choix de la direction de balayage . . . . . . . . . . . . . . . . 285

10.3 La couronne révélée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290

10.3.1 La couronne « E » et les raies coronales . . . . . . . . . . . . . . 290

10.3.2 L’utilisation d’un pré-filtre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

10.3.3 La localisation de la raie Fe XIV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

10.3.4 Extraction de l’image de la couronne . . . . . . . . . . . . . . . . 295

10.3.5 Méthode d’observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

10.3.6 Résultat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297

10.3.7 La raie coronale Fe X (6 375 Å) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

10.4 L’image magnétique du Soleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302

10.4.1 L’exploitation de l’effet Zeeman . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

10.4.2 Transformer Sol’Ex en spectropolarimètre . . . . . . . . . . . . . 306

10.4.3 Réalisation pratique d’un analyseur de polarisation . . . . . . . 310

10.4.4 L’orientation des filtres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

10.4.5 L’exploitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314

Annexe 1 – Le mode SunScan 321

Annexe 2 – Éléments de calcul 331

A2.1 La technologie des réseaux de diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . 331

A2.2 Ordres d’interférence et recouvrement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333

A2.3 La formule du réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334

A2.4 Le pouvoir dispersif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334

A2.5 La résolution spectrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335