UltraViolet EXplorer spectrograph

UVEX

UVEX est un spectrographe compact, adoptant la configuration Czerny-Turner, spécialement conçu pour l’observation de la région spectrale du proche ultraviolet sur des télescopes amateurs, jusqu’à des longueurs d’onde plus courtes que 3400 angströms en association avec une caméra CCD standard (détecteur type Sony ICX-694).

 

La formule optique Czerny-Turner est simple. Elle se compose essentiellement de deux miroirs concaves sphériques et d’un réseau à diffraction exploité en réflexion. Dans cette disposition, l’optique est parfaitement achromatique puisque constituée de surfaces exploitées en réflexion. Dans la version présentée ici, une lentille cylindrique est ajoutée au voisinage du plan du détecteur pour corriger l’astigmatisme inhérent de cette combinaison (l’image spectrale 2D est sinon très allongée suivant l’axe spatial). Cette lentille est le seul élément que la lumière traverse si le spectrographe UVEX est par ailleurs associé à un télescope Newton, Cassegain ou Ritchey-Chrétien.

Le choix judicieux des angles d’incidences sur les miroirs et sur le réseau permet d’éliminer une large part de l’aberration de coma. Si on ajoute la propriété d’achromatisme (à la lentille cylindrique près), on dispose ici des tous ingrédients pour (1) saisir en une fois un large domaine de longueur d’onde, (2) explorer des parties du spectre où la plupart des autres spectrographe ne s’aventurent pas (ici la partie ultraviolette du spectre)

 

L’actuel prototype accepte un faisceau d’entrée ouvert à f/5. Le pouvoir de résolution spectral visé est de R = 1500 environ.

Ci-contre, le schéma optique de UVEX. La fente d’entrée est en F. La lumière rencontre d’abord le miroir concave sphérique M1, puis le réseau R, le miroir concave M2, traverse le lentille cylindrique C, pour enfin être focalisée dans le plan du détecteur.

 

Les composants utilisés dans ce prototype sont des éléments standards au catalogue ThorLab, inc, , ce qui permet de réaliser un spectrographe rapidement et à bas coût. Le réseau est un modèle 300 traits/mm blazé à 4°18’ (référence ThorLab GR25-305). Le miroir M1 possède un rayon de courbure de 150 mm pour un diamètre de 25,4 mm (référence CM254-074-G01), alors que le rayon de courbure du M2 est de M2 est de 200 mm (référence CM254-100-G01). Les miroirs sont fixés dans des montures ThorLab type LMR1/M.

Vue 3D de la formule optique UVEX

Implémentation mécanique

Aspect du spectre 2D de l’étoile lambda Auriga, de type spectral G1V.

La bleu est à gauche. Les deux raies proches et intenses vers la gauche sont les raies H&K du calcium ionisé une fois, aux longueurs d’onde de 3933,7 et 3968,5 A. La caméra d’acquisition est un modèle ATIK460EX (dispersion moyenne de 0,76 A/pixel).  On remarque que la largeur de la trace du spectre (suivant l’axe spatial) varie fortement en fonction de la longueur d’onde. Cette largeur est à la base associée à l’astigmatisme de la formule optique Czerny-Turner. Cette aberration est réduite par la lentille cylindrique, voir quasi annulée vers les raies H&K, mais avec une efficacité qui dépend de la longueur en raison du chromatisme affectant la lentille cylindrique plan-convexe simple utilisée (référence ThorLab LJ 1934L1-A).

Disposition employée pour la première lumière du spectrographe UVEX le 20 septembre 2016 (observatoire de Castanet-Tolosan). L’instrument est installé au foyer direct d’un télescope Newton de 200 mm f/5. Pour ces essais préliminaires on ne dispose pas de système de guidage et la fente est retirée pour faciliter le pointage (configuration « slitless »).

Spectre UVES de l’étoile lambda Auriga comparé au spectre de l’étoile HD209458 extrait de la base de donnée CALSPEC. Le type spectral de ces deux objets est très voisin. Le spectre CALSPEC est décalé de 0,25 unité pour améliorer la lisibilité. Les données sont traitées avec le logiciel ISIS.

Détail des spectres de lambda Aur et HD209458, entre 3450 et 4400 A.  L’exploitation du spectre UVEX vers 3450 A pour l’étoile visée est limitée par le rapport signal sur bruit (pose de 18 x 40 sec). Dans l’intervalle spectral affiché les détails entre les deux profils sont correctement corrélés.

Comparaison des profils spectraux de beta Gem (origine UVEX) et de HD209458 (origine CALSPEC) dans le proche ultraviolet. Les types spectraux n’étant pas identiques (respectivement  K0III et G0V), il faut bien sur être prudent lors de l’exercice. Le rapport signal sur bruit du spectre UVEX est suffisamment élevé pour pousser la confrontation jusqu’à 3350 A dans l’UV. Des détails commun semblent détectés jusqu’à cette longueur d’onde. De fait UVEX permet d’explorer le proche ultraviolet, alors que l’observatoire n’est pas situé en altitude et que le détecteur n’est pas spécialement optimisé pour l’ultraviolet.

Galerie de type spectraux. Le domaine spectral affiché va de 3350 A à 5200 A. Le pouvoir de résolution mesuré est de R = 1600 environ.

A gauche, comparaison de deux spectres de l’étoile Be gamma Cas réalisés lors deux nuits distinctes, en modifiant le centrage du spectre 2D et en changeant le facteur de binning à l’acquisition. Un signal corrélé semble détecté jusqu’à 3200 angströms. Le fait d’aller aussi loin dans l’ultraviolet constitue une surprise compte tenu de l’absorption atmosphérique (présence de l’ozone) et du rendement potentiellement très faible (estimé à moins à 0,1% à 3200 A). A droite, le spectre de l’étoile Be zeta Tau. La longueur d’onde basse raisonnable d’exploitation de UVES semble se situer entre 3300 et 3400 A pour une observation en plaine et avec une détecteur CCD standard..

En résumé, ce prototype du spectrographe UVEX répond largement au cahier des charges initialement fixé (pouvoir de résolution, couverture spectrale). Un gain en performances supplémentaire est encore attendu grâce à l’emploi futur d’un système de guidage et d’une fente étroite en routine.

 

Cet instrument est potentiellement difficile à régler à cause de l’usage de miroirs hors-axe. Tout devient simple si on conçoit au contraire un modèle non réglable, où les composants sont positionnés par construction. Une réalisation à partir d’une impression 3D est particulièrement appropriée pour ce faire. Allier à la simplicité du schéma optique et à l’usage de composants standards, cette solution permet d’aboutir à un instrument très économique et facile à produire.

 

Les domaines d’applications astrophysique constituent un champ exploratoire nouveau pour les amateurs : études des raies « extrêmes » des étoiles symbiotiques, des objets éruptifs, des comètes : par exemple accès au classique radical CN cométaire à 388 nm et peut-être à l’intense bande NH à 336 nm, ou encore à la bande OH à 302 nm (indicatrice de l’évaporation de l’eau - mais obligation d’une observation en haute montagne et d’usage d’un CCD aminci ?)…

 

L’étude d’un spectrographe IREX, optimisé pour le proche infrarouge, est aussi envisagé.