PRESENTATION AMAS DEFAUTS OPTIQUES EN ASTRONOMIE Les instruments

PRESENTATION AMAS

DEFAUTS OPTIQUES EN ASTRONOMIE

Les instruments d’optique en astronomie, lunettes, télescopes, servent à améliorer les performances de l’oeil humain, afin de mieux en discerner les détails.

Cependant l’image donnée par l’instrument diffère toujours de l’original (l’objet optique). Il existe plusieurs raisons à ce phénomène : · La lumière issue de l’objet lointain, pour nous parvenir, traverse l’atmosphère terrestre, qui n’est pas neutre. La turbulence dégrade l’image. · Les instruments grossissants, même les mieux fabriqués, ne sont pas parfaits optiquement. · Plus généralement, les défauts de construction mécanique des instruments tels la collimation, ou facilité de collimation, supportage du miroir, flexions, facilité de mise au point, différences de coefficient de dilatation des différentes parties de l’instrument… · La nature de la lumière fait que l’image de notre objet diffère de l’original , même en considérant par ailleurs la construction mécanique et optique de l’instrument comme parfaite.

Les défauts les plus courants, sont : La collimation La turbulence L’astigmatisme La coma Le chromatisme

LE PLUS IMPORTANT LA COLLIMATION

LA TURBULENCE NGC 7469 Les différentes couches d’atmosphère traversées par la lumière d’un objet lointain ont des propriétés différentes. Leur composition chimique, leur densité, leur pression, leur humidité, la présence de particules solides, leur température varient avec l’altitude. Le principal paramètre reste la variation de la température qui engendre une variation de la densité, donc une variation de l’indice de réfraction de l’air, elle-même responsable d’une modification du trajet des rayons lumineux.

À cause de la turbulence, les rayons ne convergent plus au foyer du télescope

Il existe trois types de turbulence : 1 - La turbulence de la haute atmosphère engendre un mouvement relativement lent de l’image dans l’instrument. . Le scintillement des étoiles proches de l’horizon est un bon critère d’évaluation de ce type de turbulence. 2 - Une autre turbulence peut être évitée, la turbulence locale. Ce sont les mouvements de l’atmosphère proche de l’observateur, toujours dus à des différences de température. Ce sont aussi des maisons chauffées et mal isolées, des grandes surfaces bétonnées qui restituent la chaleur emmagasinée le jour, en s’isolant soi-même ou ses collègues 3 - Troisième type de turbulence, l’instrumentale. Il s’agit des différences de température entre l’instrument et l’air qui l’entoure ou qui y est contenu. La parade est une bonne mise en température de tous les composants de l’instrument, en particulier du miroir, masse plus ou moins importante de verre qui conduit mal la chaleur. Prévoir donc une mise en température avant l’observation…Un tube fermé limite la turbulence interne, les courants d’air, mais allonge le temps de mise en température…

Ces turbulences sont visibles à l’oculaire. La première donne des mouvements lents, l’étoile semblant se déplacer dans le champ. La seconde donne des mouvements plus rapides à l’intérieur du cercle d’Airy. Quant à la troisième, elle est visible en décalant largement la mise au point, et se présente comme un écoulement radiant partant de l’image du miroir secondaire George Biddell Airy

La tache ( ou cercle ) d′Airy est la figure de diffraction résultant de la traversée d'un trou circulaire par la lumière. On parle de tache d'Airy dans le cas des systèmes optiques pour qualifier la meilleure image possible d'un point source par ce système. Le nom de cette figure provient de George Biddell Airy (1801 -1892), un scientifique anglais qui découvrit et décrivit le phénomène en 1835 dans : On the Diffraction of an Object-glass with Circular Aperture. La figure présente une symétrie de révolution et prend la forme d'une tache brillante auréolée de cercles concentriques de plus faible luminosité.

ASTIGMATISME Pour un oeil humain, l’astigmatisme se manifeste par une vision imprécise de près comme de loin, des lignes droites déformées. La raison en est une courbure irrégulière de la cornée, du cristallin ou de la rétine. La correction de ce défaut se fait avec des lunettes qui compensent ces variations de courbure. L’astigmatisme existe également pour un instrument d’optique, lorsque les miroirs ou les lentilles possèdent des défauts de courbure pour un même élément théoriquement symétrique. Un bon miroir ou une bonne lentille a un axe de symétrie perpendiculaire au centre du système optique. Dans le cas contraire le défaut d’astigmatisme apparaît.

Si l’astigmatisme est présent dans la forme du miroir, le remède est de le retailler. Reste aussi la possibilité d’y adjoindre des lentilles - des lunettes de compensation, comme en a reçu le télescope spatial Hubble, mais la solution est chère et délicate à mettre en œuvre. . . Mais un miroir peut être sans astigmatisme de fabrication, et faire apparaître ce défaut avec des contraintes mécaniques de serrage par exemple. C’est assez courant sur les miroirs secondaires de Schmidt-Cassegrain, dont le réglage nécessite un point d’appui central et des vis à 120 °. On trouve également des miroirs mal supportés, trop lourds pour leur épaisseur, ou des lentilles trop serrées dans leur support. Il faut rappeler que la précision dimensionnelle de la surface d’un miroir est de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres (1 nanomètre = 0, 001 micron). Tordre un miroir de ces quantités est très facile…

Comment repérer ce défaut ? L’image d’une étoile s’ovalise plus ou moins en extra et intra focale. En décalant la mise au point en avant et en arrière, on constate cette ovalisation. Les axes deux images, intra et extra focale, sont perpendiculaires, ou du moins, n’ont pas le même axe. Comment y remédier ? Selon le cas, en retaillant le miroir, ou, moins grave, en recherchant l’origine des contraintes mécaniques éventuelles. Prendre garde aux vis trop serrées… Par exemple, en collimatant, il faut toujours commencer par desserrer une vis, avant d’en serrer une autre. figure de diffraction parfaite figure affectée d’astigmatisme

LA COMA La coma affecte les images situées hors axe, visibles sur les bords des champs des oculaires. On observe une déformation et un flou de l’image. Ce nom de coma provient de la forme de l’étoile qui prend avec ce défaut l’aspect d’une comète. Les images des bords des champs viennent de rayons lumineux qui tombent obliquement sur le système optique. Le champ de l’image donné par un système optique est plus ou moins plan. Selon les instruments, on peut avoir une image nette au milieu, et floue sur les bords. Un faisceau de lumière hors axe déformera en plus l’image et fera apparaître la coma. L’effet est d’autant plus important que le rapport F/D est réduit, et donc que les rayons lumineux tombent plus obliquement sur le miroir. L’absence de planéité du champ ajoute du flou au phénomène. La coma est généralement accompagnée de chromatisme.

Champ d’étoiles affectées de coma

La coma apparaît de façon plus importante sur les instruments dotés de miroirs paraboliques. Il existe, en particulier pour les télescopes à miroir parabolique (Type Newton) des correcteurs de coma, systèmes optiques qui planéifient le champ et redressent les déformations en bordure de champ.

LE CHROMATISME La lumière blanche, celle du Soleil, est formée d’une infinité de rayonnements chacun définit par sa longueur d’onde. En traversant par exemple un prisme en verre, la lumière est déviée de façon différente en fonction de cette longueur d’onde. Le bleu est plus dévié que le rouge. Le chromatisme apparaît chaque fois qu’un rayon lumineux passe d’un milieu à un autre (que le milieu change d’indice de réfraction).

Les images du foyer primaire des télescopes ne sont pas affectées par ce défaut, car la lumière est réfléchie par des miroirs, et ne traverse aucun milieu d’indice de réfraction différent, comme le verre. Si du chromatisme est visible dans un télescope, c’est soit du fait des oculaires (formés de lentilles traversées par la lumière), soit du à l’atmosphère. En effet, l’atmosphère se comporte également comme un prisme très compliqué qui dévie différemment le rouge et le bleu. Le chromatisme atmosphérique est d’autant plus fort que la couche d’air est épaisse, donc que l’objet à observer est bas sur l’horizon. Le phénomène est bien sûr amplifié par la turbulence.

Si l'aberration chromatique est un désavantage majeur des réfracteurs, cet effet négatif ne se produit pas si la focale est inférieure au carré du diamètre de l'objectif : la focale minimale d'un 10 cm doit faire 1 m, celle d'un 15 cm, 2, 25 m, et ainsi de suite. Cette "règle" concerne également les objectifs communs à deux lentilles, dits achromatiques.

Une lentille de lunette astronomique se comporte vis-à-vis de ce phénomène de la même façon qu’un prisme. La lumière est déviée plus fortement dans le bleu que dans le rouge.

Un doublet achromatique (ou achromat) est un doublet de lentilles conçu pour limiter les effets des aberrations chromatiques et sphériques. L'achromat corrige les distances focales de faisceaux lumineux de différentes longueurs d’onde pour mieux les faire converger vers le même plan.

Le principe de la correction consiste à associer deux éléments dont l'influence sur la qualité de l'image est de sens opposé : les formes sont étudiées afin que l'aberration chromatique propre à une lentille soit contrebalancée par celle de l'autre. De ce fait le chromatisme axial est annulé pour une paire de longueurs d'onde et est très réduit pour le reste du spectre Le plus souvent, la puissance positive de la lentille en verre crown est sensiblement supérieure à celle négative de la lentille en verre flint. Le doublet forme une lentille de puissance légèrement positive, mais améliore la focalisation des faisceaux de longueurs d'onde différentes.

Mais depuis quelques années sont commercialisés des modèles à trois lentilles ou à la fluorine, dits apochromatiques. Avec ces objectifs, il est possible de réduire notablement le rapport focal grâce à la forte correction de l'aberration chromatique résiduelle. Takahashi FSQ-106 EDX 4

La meilleure parade au chromatisme est de travailler dans une longueur d’onde déterminée Les filtres colorés réduisent donc le chromatisme d’autant mieux que la bande passante est étroite. Le revers de la médaille est une perte des informations de couleur… Là encore, des logiciels de traitement d’image peuvent plus ou moins bien remédier au défaut en imagerie. Iris, Paint Shop Pro, Photo Shop ou d’autres sont capables de séparer une image couleur en ses composantes rouge, verte et bleue. Sur la Lune, on travaille sur la couche verte, la mieux définie. Le résultat est du noir et blanc, sans conséquence dramatique pour les images de la Lune.

LES FILTRES COLORES

MODE R V B Absorbe le vert et le bleu Absorbe le rouge et le bleu Absorbe le vert et le rouge

MODE C M J Absorbe le rouge Absorbe le vert Absorbe le bleu

M 42…. . vision « réelle »

M 42…. . au choix du « coloriste »

Petit supplément gratuit L’ OPTIQUE ADAPTATIVE

Les astronomes du Very Large Telescope à Cerro Paranal au Chili, utilisent un faisceau laser dirigé dans la direction de l'observation pour créer une étoile artificielle pour l'optique adaptative. La couleur du laser, réglée avec précision, dynamise les atomes de sodium présents dans l'une des couches supérieures de l'atmosphère. Crédit image Yuri Beletsky Observatoire Paranal de l'ESO, Chili.

Miroir déformable : la membrane réfléchissante, très mince, est déformée par des actuateurs piézo-électriques. La principale limitation de la qualité des observations astronomiques n'est plus la dimension physique des miroirs collecteurs de flux mais les perturbations atmosphériques. Cette constatation a incité à la création d‘observatoires en altitude voire à l'envoi de télescopes dans l'espace (où l'on s'affranchit du problème atmosphérique). La résolution du problème des turbulences atmosphériques peut aussi être faite par optique adaptative à l'aide de miroirs déformables rapidement contrôlés par ordinateur pour compenser les déformations de front d’onde.

Effet de la turbulence atmosphérique sur l’étoile HIC 59206 observée avec le VLT Sans correction Avec correction

JUPITER

Bibliographie JL Dauvergne Astrofiles. net Jean-Pierre Maratrey Astrosurf Wikipédia

C ’ EST FINI ! BONNE SOIREE