SOUS UNE BONNE ETOILE
ou une étoile nommée Soleil

 
10 - OBSERVATION DU SOLEIL

L’évocation du mot "astronomie" signifie pour la grande majorité des gens, voire même au sein du petit monde des astronomes amateurs : "travail nocturne".

C’est oublier un peu vite que le Soleil permet, sous réserve quand même de respecter quelques précautions élémentaires de sécurité, de pratiquer en plein jour des observations faciles et passionnantes qui ne demandent pas toujours un ciel parfaitement clair, car une éclaircie ou quelques trous dans les nuages peuvent même être parfois suffisants.

10.1 - Dangers de l’observation

A la différence de l’astronomie nocturne, de jour la quantité de lumière et de chaleur est très importante et peut entraîner des accidents, aussi bien sur le matériel que sur l’oeil de l’observateur.

L’utilisation d’un système grossissant produit une augmentation de la densité du flux de lumière auquel l’oeil ne peut pas s’opposer suffisamment même en resserrant le diaphragme irien à son diamètre minimum de 1,5 mm.

Lorsque le dégagement de chaleur dépasse les limites de refroidissement de la circulation sanguine, la température des cellules augmente sans que l’observateur ne ressente le moindre signal d’alarme, jusqu’à provoquer la mort de quelques cellules de la partie centrale de la rétine.

La répétition de cette négligence peut faire baisser l’acuité visuelle alors que l'observateur n'éprouve aucune impression d’éblouissement.

Le plus étonnant de l’état d’éblouissement provient de l’impression de confort par suite d’une baisse de la réponse visuelle, d’autant plus que l’on ne connaît pas vraiment les conséquences de fréquentes observations répétées avec du matériel qui semble pourtant être adapté à cette pratique.

L’observation visuelle en directe est spectaculaire, mais n’est pas recommandable pour les raisons exposées ci-dessus. Néanmoins, différentes méthodes seront quand même abordées pour essayer de montrer les limites à ne pas franchir.

Ces quelques conseils sur les dangers de l’observation astronomique solaire proviennent d’un exposé présenté le 19 mai 1979 à la S.A.F, lors de la réunion annuelle de la commission du Soleil par le Docteur G.Quentel qui travaillait à l’époque dans le service d’ophtalmologie de l’hôpital intercommunal de Créteil (Val de Marne) et paru dans le bulletin de la S.A.F, l’Astronomie, volume 94 de juillet-août 1980.

10.2 - Techniques

10.2.1 - Observation à l’oeil nu

L’observation des taches à l’oeil nu n’est pas sans danger mais possible pendant quelques minutes au lever ou au coucher du Soleil, ou à travers une épaisse nappe de brouillard lorsque leurs dimensions atteignent au-moins 36 000 km, soit un diamètre apparent d’environ 50 secondes d’arc, bien que l'oeil puisse séparer près de 20 secondes d'arc.

Il faut réserver cette méthode essentiellement à l’observation d’une éclipse, que l'on doit compléter d’un atténuateur réalisé au moyen de deux ou trois épaisseurs de Mylar ou de négatifs totalement opaques, ou encore à partir d’une ou deux plaques de verre d’un masque de soudeur, à l’indice de protection maximal, mais sans la prolonger pour les raisons évoquées plus haut.

Toutes les astuces de filtrage : filtre photographique neutre en gélatine, morceau de verre noirci à la flamme de bougie, superposition de plusieurs paires de lunettes de soleil, bassines d’eau....semblent à priori satisfaisantes, mais les dommages irréparables qu’elles causent ne sont sensibles que lorsqu’il est trop tard.

Il faut également se souvenir, que sans protection de l’objectif d’entrée de n’importe quel instrument : chercheur, jumelles, lunette ou télescope, les effets de la concentration du rayonnement IR peuvent être destructifs, même pour un filtre d’oculaire, avec à la clé, la perte de l’oeil de l’observateur.

Pour information, il existe dans le commerce courant  des verres de soudure conçus pour assurer divers degrés de protection des yeux contre les rayonnements émis lors d'opération de soudage, de  soudobrasage ou d'oxycoupage dont le taux de transmission est proche de 1 % et la filtration à 100 % dans l'ultraviolet et à 97 % dans l'infrarouge.

Il ne faut pas oublier que l'observation ne doit pas être "confortable", et si le Soleil semble trop lumineux, l'atténuateur est insuffisant, il faut stopper immédiatement l'observation.

Malheureusement, lors des éclipses de Soleil les accidents sont fréquents, alors il faut éviter l’observation à l’oeil nu et surtout le faire savoir en expliquant la raison.

10.2.2 - Observation par projection

Pour les amateurs sous équipés la technique par projection est la moins dangereuse et permet à peu de frais de découvrir et de relever la position des taches et des facules que ce soit avec une lunette, un télescope ou même une simple paire de jumelles.
Le principe de l'observation par projection consiste à pointer l’instrument en direction du Soleil et à placer un morceau de carton blanc à 20 ou 30 cm de l’oculaire, et plus le morceau de carton sera éloigné et plus l’image de la projection du Soleil sera grande tout comme la projection d’une diapositive sur un écran.

Il est également possible d’observer le Soleil par projection suivant le principe du sténopé.

Un trou percé avec une épingle, par exemple dans une boîte à chaussures, fait office d’objectif photographique, et en l’orientant en direction du Soleil, on obtient son image sur la face interne opposée au trou.

Avec une petite lunette il faut se limiter à une image solaire de 10 à 15 cm pour ne pas dégrader le contraste des éventuelles taches car les forts grossissements exigent de bonnes conditions atmosphériques.

Ainsi on pourra aisément distinguer la granulation solaire et différencier l’ombre de la pénombre des taches sachant que les rapports de luminosité respectifs sont de l'ordre de 25 et 75 % par rapport à la surface solaire.

A partir d’un diamètre de 10 cm d’ouverture, le temps d’observation doit comporter des pauses pour ne pas surchauffer les optiques et au-delà d’un diamètre de 15 cm l’instrument doit être muni d’un diaphragme.

Dans le cas d'une optique Schmidt - Cassegrain catadioptrique, type Célestron (C8), il est vivement déconseillé d'utiliser cette technique, qui peut, par échauffement, endommager certains éléments du télescope.

Il est également recommandé de remplacer un oculaire négatif de type Huygens par un système divergent tel qu’une lentille de barlow pour éviter l’échauffement des lentilles et si l’écran est éclairé par le Soleil, il ne faut pas hésiter à se protéger de cette lumière parasite en plaçant un grand carton autour de l’instrument.

L'observation par projection est pratiquement sans danger, sous réserve de penser à obstruer l’objectif du chercheur ou de la lunette guide et de ne pas pointer le Soleil à l’oeil nu, mais en se guidant uniquement sur la projection de l’ombre de l’instrument.

Quand cette dernière est réduite au minimum, le Soleil est dans l'axe.

Elle permet, outre son aspect pédagogique au niveau d’un groupe de personnes, d’aborder facilement le suivi du positionnement des taches, le calcul du nombre relatif de taches, le calcul de la surface tachée, le mouvement propre des taches, la mesure du diamètre solaire, l’observation d’éclipse, ainsi que la photographie de la surface granuleuse et des groupes actifs avec une résolution quand même exploitable et, bien entendu, d’établir une courbe d’activité du Soleil.

10.2.3 - Observation avec un atténuateur sur l'instrument

10.2.3.1 - Solution économique = filtre solaire " Mylar " ou " sun " ou "sun"  + " Mylar "

Bien souvent les petits instruments sont livrés d’origine avec un jeu de filtres lunaire et solaire marqués "moon" et "sun", que l’on peut placer en avant du diaphragme de l’oculaire.

L’utilisation du filtre "sun " sans aucun autre accessoire est à proscrire impérativement car, compte tenu de son positionnement très près du plan focal et donc de l’échauffement considérable à cet emplacement, un éclatement en moins de 10 secondes est possible avec un instrument seulement ouvert à F/D = 8.

L’emploi de feuilles superposées de Mylar (polyester aluminé), comme filtre solaire d'objectif est aussi déconseillé Son prix soit environ dix fois moins élevé qu’un filtre solaire d'objectif de qualité le rend très séduisant, mais attention à une utilisation prolongée.

Le taux de transmission est estimé à 1/10 000 avec deux feuilles, et à seulement 1/1 000 avec une seule feuille, ce qui dans cette utilisation, est insuffisant pour une observation dans un instrument.

De plus, on n'est jamais certain de la régularité de l'épaisseur du métal déposé sur le support plastique, et donc de ne pas rencontrer des défauts invisibles à l'oeil nu par leurs dimensions (quelques microns seulement), qui présentent dans ces conditions de multiples passages de lumière.

Pour une utilisation occasionnelle, l'association d'un filtre solaire d'oculaire et d'un filtre d'objectif en Mylar à t = 1/1 000 peut s'avérer également dangereuse, même avec un instrument de faible diamètre (Æ < 100 mm).

En effet, un tel filtrage, atténue moins les longueurs d'onde situées dans les UV et IR que celles dites du visible, alors prudence.
Ce qu’il faut retenir, c'est que l’utilisation seule du filtre "sun" ou combinée avec une unique feuille de Mylar peut occasionner respectivement, soit la brûlure immédiate de la rétine, soit sans aucun signal d’alarme, la destruction progressive des cellules de la rétine ce qui est aussi irréversible.

10.2.3.2- Solution intermédiaire = hélioscope d’Herschel

L’hélioscope représente sans aucun doute pour un amateur peu fortuné un bon compromis entre les aspects sécurité et économie, tout en permettant une observation visuelle en directe, mais dont l'utilisation doit être réservée aux instruments de faible diamètre pour limiter les effets secondaires de l'intense concentration d'énergie sur les divers éléments réalisés quelquefois en matière synthétique et plus particulièrement sur le système optique (miroir secondaire, oculaire et hélioscope).

L’hélioscope ressemble à une équerre optique qui se fixe sur le porte oculaire et que l’on complète par un oculaire équipé d’un filtre solaire.

C’est un accessoire à une ou deux réflexions vitreuses constitué essentiellement d’une ou deux lames de verre prismatique, c’est à dire dont les deux faces planes ne sont pas parallèles pour supprimer les reflets gênants.

Il évacue la majeure partie de l’énergie incidente par l’orifice situé à l’arrière en libérant suivant le montage de 80 à 96 % de la lumière solaire tandis que de 20 à 4 % sont respectivement dirigés vers l’oculaire.

Un hélioscope de bonne facture devrait être conçu à base de verre à faible coefficient de dilatation comme le cervit pour limiter la déformation de la surface du verre sous l'effet de la chaleur, ou réalisé à partir d'un prisme pentagonal qui ne transmet que 16/1 000 de la lumière par deux réflexions successives.

Bien entendu, en plus du filtre solaire de l'oculaire, on peut ajouter un filtre "complémentaire" comme le vert ou le rouge qui donne une absorption supplémentaire de 10 fois ou plus.

Dans ces conditions, il n’y a pas de risque d’échauffement anormal et donc d’éclatement des lentilles, mais on ne le répétera jamais assez, il faut impérativement obstruer l’objectif du chercheur ou de la lunette guide pour éviter de réduire en cendres le réticule de l’oculaire ou bien d’occasionner une banale brûlure du cuir chevelu, ou ce qui serait plus grave d’entraîner la perte de l’oeil d’un curieux inconscient du danger encouru (enfant et même adulte).

Enfin, il ne faut pas oublier que certains filtres de bas de gamme du type "sun" n’absorbent pas une bande spectrale suffisamment large.

On constate quelquefois une bande passante secondaire qui laisse passer un certain pourcentage du rayonnement IR que l’oeil ne perçoit pas immédiatement avec les conséquences possibles évoquées au § 10.1 " Dangers de l’observation ".

10.2.3.3- Solution "idéale"

On peut donc se rendre compte que, mis à part l’observation par projection, les autres méthodes présentent une certaine part de risque qui ne mettent pas l’observateur à l’abri d’un quelconque accident, qu’il soit immédiat ou à terme dans le temps.

Dans ces conditions, l’achat d’un filtre solaire d'objectif pleine ouverture (taux de transmission au 1/10 000) mais de qualité optique (prix fonction du diamètre compris entre 500 francs pour une petite lunette et 1100 francs pour un instrument de Æ = 200 mm), associé à un filtre de marque Wratten, soit de couleur rouge W 25 pour obtenir un complément d’absorption, soit de couleur verte W 58 pour augmenter le contraste final, constitue une base de départ sérieuse pour une observation en lumière blanche (visible).

Pour les amateurs exigeants et surtout sans contrainte financière, l'utilisation d’un filtre monochromatique d’une longueur d’onde prédéterminée en complément d'un filtre solaire d'objectif de qualité, est tout à fait justifié. (coût estimé de l'ensemble "filtre objectif-filtre Ha" suivant le modèle compris entre 20 000 et 50 000 francs).

Un filtre monochromatique permet, de sélectionner et d'étudier le Soleil dans une longueur d'onde particulière comme par exemple, la raie Ha de l’hydrogène (6 563 Å) ou celles H et K du calcium ionisé (3 968 et 3 933 Å) situées à la limite de l'ultra violet et du violet, alors que le filtre solaire d'objectif réalise essentiellement une atténuation de transmission de la lumière.

Dans le cas de la raie Ha, il est possible de se contenter d’une bande passante comprise entre 5 et 10 Å, mais seules les protubérances brillantes seront observables en émission au bord du Soleil et ce n’est qu’à partir de 1 Å que les détails des régions actives et des filaments deviendront visibles sur le disque en absorption.

L’idéal est de se procurer un filtre de bande passante de 0,6 Å équipé d’un dispositif thermostatique pour plusieurs raisons :

L'observation du Soleil peut également être obtenue dans les raies H et K du calcium ionisé, avec des moyens plus modestes et surtout moins onéreux que ceux nécessaires à la raie Ha. Il suffit d'associer en complément du filtre solaire d'objectif, deux filtres Wratten référencés W 18A et W 2B, que l'on complètera en utilisation photographique avec du film Kodak 2415, par un W 38A pour éliminer la fenêtre de transmission du W 18A, située au-delà de 700 nm.

Cette technique permet à peu de frais, de visualiser l'aspect de la basse photosphère.

10.2.4 - Observation et photographie du Soleil avec un matériel spécifique

On peut en principe obtenir une image monochromatique du Soleil dans la plupart des longueurs d’onde à étudier dans le domaine du visible au moyen d’instrumentations spécifiques, utilisées essentiellement par les astronomes professionnels en raison du coût de l’appareillage ou de son exploitation peu conviviale, mais aussi par quelques amateurs très passionnés et surtout très compétents.

On distingue essentiellement trois sortes d’instruments :

 1 - le coronographe

Pour pallier la rareté des éclipses de Soleil, le français Bernard Lyot (1900-1952) a mis au point en 1930 un instrument destiné à l’observation de la couronne solaire par occultation du disque solaire, ce qui donne lieu à une éclipse artificielle.


Schéma de principe d’un coronographe

Cet instrument combiné avec des filtres est utilisé aussi bien pour la photographie que pour l’étude des spectres des raies coronales et des protubérances.

La simplicité apparente de cette réalisation donne lieu à de nombreuses difficultés qu’une simple occultation ne peut pas résoudre.

Un instrument conçu de façon sommaire ne montrera qu’un halo éblouissant de lumière parasite, due essentiellement au ciel, qui est de 10 à 100 fois plus brillante que la couronne à cause de la diffusion de la lumière solaire par l’atmosphère, mais aussi à la conception de l’instrument.

Pour mémoire, la couronne brille autant que la Lune, soit environ un million de fois moins que l'éclat du Soleil.

Le principe de base de la fabrication d'un coronographe repose en grande partie dans la qualité de la fabrication de ces diverses pièces constitutives et sur le réglage de l'ensemble.

L'idée originale de B.Lyot a été de neutraliser la lumière parasite diffractée par l'objectif d'entrée de l'instrument en plaçant une lentille de champ au plus près du foyer de l'objectif d'entrée.

On obtient une image réelle sur le diaphragme de Lyot qui bloque surtout la lumière parasite en provenance de la périphérie et du centre de l'objectif d'entrée.

Bien entendu, la lentille de l'objectif d'entrée, simple plan convexe, doit présenter un poli parfait, et les pièces d'occultation (cône et disque) doivent être échangées périodiquement en fonction du diamètre apparent du Soleil, et donc sous entendu, de la saison.

 2 - le spectrohéliographe

On peut le comparer à un double spectrographe, dont le premier étale la lumière perpendiculairement à la fente au moyen d’un prisme ou d’un réseau de diffraction (avec, par exemple, 1 000 traits par mm sur une longueur de 100 mm, on fragmente le faisceau initial en 1 000 X 100 = 100 000 petits intervalles) ce qui donne un spectre et le deuxième placé à la suite qui isole une raie du spectre à l’aide de la deuxième fente derrière laquelle on a placé un film photographique.

En combinant en même temps et à la même vitesse les actions de balayage sur toute la surface du Soleil et de déplacement du film photographique, on enregistre dans une bande très étroite de longueur d'onde, généralement la raie Ha de l’hydrogène, une véritable image monochromatique de la chromosphère, appelée spectrohéliogramme.

Pour obtenir une bonne résolution au niveau de l’image, la rigidité de l’instrument doit être parfaite, d’ailleurs tout comme l’entraînement qui ne supporte pas la médiocrité, puisqu’il faut environ une minute pour réaliser une photo.

L'expérience montre qu'il est préférable d’immobiliser l’instrument et de le coupler à un coelostat dont le rôle est de suivre le Soleil et de renvoyer son image vers le spectrographe.

Le coelostat est un complément optique constitué en principe de deux miroirs :

A titre indicatif, selon l’endroit où se forme l’image spectrale, l’appareil prend les appellations suivantes :


 3 - l’héliographe

Pour s’affranchir de l’imposant spectrohéliographe et de son coelostat lorsque la longueur d’onde à observer est prédéterminée telle que la raie Ha, l’utilisation d’un filtre monochromatique est recommandée.

Il sera alors possible d'observer ou de réaliser en permanence et sans contrainte des images de la structure photosphérique (filaments, facules,...) ou chromosphérique (protubérances, plages faculaires,...).

L’ensemble devient un héliographe.

L’utilisation d’un héliographe offre une grande souplesse dans l’observation de phénomènes à fortes vitesses radiales comme les disparitions ou les apparitions rapides de protubérances.

Toutefois au centre du disque solaire une éruption peut, le long de la ligne de visée d'un observateur, faire l’objet d’une disparition artificielle par décalage Doppler, à la suite du déplacement de la raie d’une certaine valeur hors de la bande passante du filtre et du rapprochement du filament lors de l’élévation de la structure solaire.

Pour compenser ce décalage on peut utiliser un filtre fonctionnant par inclinaison variable sur l’axe optique qui, d’une certaine façon, remplace également le dispositif thermostatique, mais pour cette observation particulière un spectrohéliographe à protubérances placé au foyer d’une lunette ordinaire et utilisant la méthode dite "de la fente large" est plus adapté pour accéder à une image relativement étendue dans l’espace sans pour autant être gênée par les raies voisines.

Ainsi, l’emploi "de la fente large" qui peut dépasser 2 mm de largeur permet de montrer la totalité d’une éruption alors que le filtre monochromatique n’en montre qu’une partie.

Cet appareillage qui tient à la fois du coronographe et du spectrographe a été mis au point par des astronomes amateurs de la Société Astronomique de France et exploité sur la lunette de l’Observatoire de la Sorbonne à Paris.

De même G. Hale avait prévu cet inconvénient en adaptant " un déplaceur de raie " constitué d’une épaisse lame de verre à faces parallèles, placée dans le faisceau de la raie et mobile autour d’un axe parallèle à la raie.

Le changement de la position de la raie par rotation de la lame de verre permettait de compenser l’effet Doppler-Fizeau.
D’autres instruments spécialisés dans le solaire méritent d’être mentionnés bien qu’ils sortent du cadre de l’équipement d’un amateur. On peut citer :

Un coelostat placé au-dessus d’une tour renvoie le faisceau de lumière vers le télescope placé dans une enceinte contrôlée du point de vue thermique ou dans laquelle on a fait le vide pour limiter les effets de la turbulence et améliorer la résolution des images.

Les tours solaires sont généralement associées à divers instruments tels que : magnétographe, spectrographe, filtres polarisants...et, grâce aux grandes focales des télescopes, on obtient aisément des dispersions pouvant atteindre 100 mm /nm.

La première tour solaire a vu le jour en 1906 au Mont Wilson suivie par d’autres instruments dans les années 60, notamment à Kitt-Peak (Ø 152 cm) en Arizona, à Sacremento Peak (Ø 76 cm) au Nouveau Mexique et à Meudon (Ø 60 cm) près de Paris.

D’autres instruments mobiles, donc plus courts ont été mis au point tels que la lunette du Pic du Midi (Ø 50 cm), ou celle du Big Bear Solar Observatory (Ø 66 cm) située en Californie qui présente la particularité d’avoir les pieds dans l’eau pour bénéficier d'un effet régulateur sur la masse d’air environnante.

La réalisation d’une tour solaire d’un nouveau type appelée THEMIS (pour Télescope Héliographique pour l’Etude du Magnétisme et des Instabilités de l’atmosphère Solaire) vient de marquer l’avènement d’une nouvelle génération d’instruments.

Attendue depuis plusieurs années, elle a commencé au printemps 1996 ses premières observations dans l'étude du champ magnétique solaire.

Installée à 2 400 m d’altitude aux îles Canaries à l’observatoire du Teide (3 000 heures d’ensoleillement par an et une atmosphère peu turbulente) dans l’île de la Palma par l’Institut National des Sciences de l’Univers (CNRS-INSU), son télescope (Ø 90 cm) permet la mesure simultanée jusqu’à 10 raies spectrales à des altitudes différentes et avec une résolution de 0"3, tout comme au Pic du Midi, mais sur des périodes de temps plus importantes.

Pour corriger en temps réel la turbulence atmosphérique, l’instrument est muni d’une optique adaptative, couplée à une batterie de 20 caméras CCD qui pourront être réparties en fonction du besoin, et assisté par une informatique de haut niveau nécessaire à l’acquisition de données à cadence élevée (environ 12 000 profils de raies toutes les quatre secondes).

Les deux spectrographes montés en série, un premier appelé "prédisperseur" qui sélectionne plusieurs domaines de son spectre, et le deuxième ou "spectrographe échelle" qui donne à la sortie autant de spectres qu’il y a de domaines sélectionnés, pourront être utilisés sous deux modes :

Ainsi équipée, THEMIS, est un instrument parfaitement adapté à l’étude du magnétisme solaire et qui demeurera sans concurrence, jusqu’à la première lumière du projet international LEST (Large Earth-Based Solar Télescope) d’un diamètre de 240 cm.

L'année 1996 représente un "bon cru" pour les spécialistes du Soleil. Avec la mise en service au printemps dernier de la sonde SOHO, on peut espérer détecter quelques modes de gravité, et améliorer notre connaissance sur les neutrinos.

La sonde SOHO a rejoint son poste d'observation situé au point de Lagrange, à 1,5 million de km en avant de la Terre, en direction du Soleil et devrait permettre au cours de sa mission évaluée à au moins 20 ans, de mesurer et de sonder notre étoile en permanence, tout en offrant une possibilité de calibrage et d'étalonnage des différents instruments et matériels utilisés sur la Terre.

Il sera ainsi possible d'obtenir, par exemple, des renseignements d'une même région de la couronne de part son utilisation conjointe avec les radiohéliographes de Nançay ou du Japon.

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