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L'étude photographique des météores

La photographie synchronisée (I)

Les amateurs peuvent encore apporter une contribution honorable à la recherche scientifique concernant l'étude des météores et des bolides.

Tout comme le travail visuel apporte beaucoup de renseignements sur la structure et l'activité d'un essaim, la photographie des météores occupe une place de choix.

Une bonne photographie de la traînée d'un météore peut procurer d'importants renseignements sur son orbite héliocentrique car si certains météores proviennent de la Ceinture des astéroïdes d'autres sont associés à des comètes.

Etant donné qu'un météore produit le phénomène lumineux aux environs de 100 km d'altitude et sera consumé vers 50 ou 80 km, on peut réaliser des photographies synchronisées à partir de deux ou plusieurs stations séparées l'une de l'autre de 50 à 100 km. Avec deux stations on peut déjà évaluer la trajectoire d'un météore par triangulation. A partir des mesures effectuées sur les clichés on pourra déterminer l'azimut, la distance et l'orbite du météore et en déduire sa trajectoire héliocentrique.

Si la distance qui sépare les stations est trop petite, la parallaxe entre les traînées de météores sera trop faible et les résultats resteront imprécis. Une distance trop grande à l'inverse limite considérablement les chances d'un cliché simultané. 100 km est donc un maximum, la parallaxe résultante étant déjà de 10°.

Équipement

L'équipement se compose d'appareils photos argentiques ou numériques. La préférence est données aux boîtiers 24x36 mm équipés d'objectifs de 35 ou 50 mm ou de réflex moyens formats (6x6) munis d'optiques de 105 à 200 mm de focale.

Devant l'objectif est fixé un obturateur rotatif couvrant l'entiereté du champ, raison pour laquelle certains amateurs le fixe très près de la caméra. Evitez de placer l'obturateur trop près de l'objectif car l'image peut être complètement détruite par les vibrations engendrées par le système en fois mis en route. Il est impératif de placer le moteur rotatif sur un support indépendant des appareils photographiques et d'utiliser un obturateur aussi léger que possible. 

Cet obturateur frontal devra couper le champ environ 5 fois par seconde (300 rpm) de façon à effectuer une dizaine d'interruption par seconde avec un minimum de 2 tours/sec ou 100 tours/min. L'obturateur est fabriqué à partir d'un disque de duralumin, d'une plaque d'offset ou d'aluminium d'un diamètre d'environ 20 cm ou supérieur et d'une épaisseur de 0.2 mm. En fonction du nombre d'appareils photographiques utilisés, 2 à 6 secteurs diamétralement opposés seront pratiqués dans la surface.

Deux Perséides de l'essaim de 1999 photographiées avec un secteur rotatif. A gauche, une photographie prise au-dessus de l'Observatoire d'Ondrejov, à droite, par Hans Betlem de la DMS.

L'obturateur rotatif fixé devant l'objectif présente aussi l'avantage de réduire la brillance de la traînée en évitant de la surexposer. Elle permet aussi de doubler le temps d'exposition sans lequel l'image serait voilé par la lumière du ciel et la pollution lumineuse.

En travaillant de la sorte on obtient une photographie sur laquelle la traînée du météore est coupée à intervalles réguliers. A partir de ces coupures il est possible de déterminer la vitesse du météore et ses coordonnées avec une précision supérieure à l'observation visuelle.

Le système de photographie synchrone mis au point par Hans Betlem de la Dutch Meteor Society : 10 appareils réflex munis d'optique de 85 mm sont agencés dans un coffre de telle sorte que leur champ couvre toute l'hémisphère. Un boîtier maître contrôle l'avancement du film de tous les appareils..

Selon une moyenne faite sur 28 observations, la longueur moyenne des traînées est de 7.3° tandis que la vitesse idéale est de 48 obturations par seconde (1400 rpm pour un bisecteur).

Pour assurer la rotation de l'obturateur rotatif on peut utiliser une dynamo de vélo connectée à un petit accumulateur de 6V AC qui agira comme un moteur synchrone. En pratique la précision de ce système est voisine de 4%. On peut aussi connecter l'obturateur rotatif à un moteur à pas contrôlé par un circuit électronique alimenté en 12V et dont la vitesse est régulée par un cristal de quartz.

Pour couvrir toute la voûte céleste il faut utiliser plusieurs appareils photographiques que l'on dirigera avec précision vers les différentes points cardinaux et de façon à ce que les différents champs se recouvrent quelque peu. En fonction du nombre d'appareils et du champ de leur objectif, il faut compter entre 6 et 10 appareils pour couvrir toute l'hémisphère.

Par sécurité de petits radiateurs ou un fil de résistance peut être placé entre les boîtiers ou bobinés sur les objectifs pour éviter le dépôt de rosée sur les optiques durant les nuits fraîches et humides dans les pays tempérés. L'alimentation n'a pas besoin d'être importante : pour un fil de résistance, quelque 0.3 à 0.5 A suffisent pour une alimentation de 6V.

L'amateur se contentera de photographier l'apparition des météores sans prêter attention au fond du ciel en rotation. Les étoiles peuvent donc apparaître comme de petits arcs de cercles sur le négatif. Ces traits forment d'ailleurs une excellente grille de coordonnées qui servira à déterminer la position du début et de la fin de la traînée du météore.

A l'instar de l'observation visuelle, vos clichés devront mentionner l'heure de l'ouverture et de fermeture de l'obturateur, l'heure d'apparition du météore (de préférence en TU et avec une précision d'une seconde), la vitesse de rotation de l'obturateur frontal et tout commentaire que vous jugeriez utile.

Photo numérique

Pour cette activité, le cahier des charges requiert un appareil photo équipé d'une pose B (Bulb) et des temps d'exposition de plusieurs minutes à grande sensibilité (400-1600 ISO).

Le système réflex de 50 mm installé par Sébastien Gauthier au Canada. La vitesse de rotation du secteur est assurée par un système à quartz.

Si certains APN compacts proposent une pose B, beaucoup la limite à 15, 30 ou 60 secondes, avec ou sans possibilité de choisir la sensibilité. Les modèles compacts sont donc peu pratiques. Etant donné qu'ils sont équipés d'une optique de qualité parfois médiocre, d'un format d'image JPG parfois compressé (avec une perte de netteté) et ne disposent pas de mode totalement manuel (pose B illimitée, sensibilité et ouverture au choix), la seule alternative consiste à utiliser un APN réflex. Ils offrent non seulement des optiques de qualité, des images au format "raw" (brutes, non compressées) mais proposent également un mode manuel ainsi que la pose B qui se manipule au moyen d'une télécommande.

Autre avantage, certains APN réflex d'entrée de gamme sont moins cher que certains compacts haut de gamme.

Le temps d'exposition est tributaire de la lumière du ciel et de la couverture nuageuse. Si on utilise un APN réflex, pour une sensibilité de 800 ISO, par une nuit sombre et sans Lune à l'écart de toute pollution lumineuse, le temps d'exposition sera de 30 secondes à 1 minute selon la magnitude limite recherchée.

Par principe dès qu'un météore est photographié, attendez encore 5 secondes puis passer à la vue suivante.

Les réseaux All-Sky

Le 7 avril 1959, deux stations photographiques de la république Tchèque, membres de l'Institut Astronomique d'Ondrejov et Pricice photographièrent simultanément à 40 km de distance un bolide très brillant, de magnitude supérieure à celle de la Pleine Lune. Cet énorme bolide laissa sa trace sur au moins dix clichés différents. L'objet qui se fragmenta en 17 morceaux au cours de sa chute fut photographiée. A partir des images les trajectoires des plus grands fragments ainsi que la localisation des impacts éventuels furent calculés.

Quatre fragments du météorite furent retrouvés près du village Tchèque de Pribam. Ce fut la première météorite pour laquelle des enregistrements photographiques utilisant des obturateurs rotatifs furent disponibles.

Depuis cet événement historique plusieurs traînées de météorites furent enregistrées pour citer parmi les plus connues la météorite de Lost City qui tomba en 1970 aux Etats-Unis, celle d'Innisfree qui tomba au Canada en 1977 et la météorite de Tagish qui tomba dans les Territoires du Nord du Canada en l'an 2000 (voir image ci-dessous).

Le phénomène de Pribam fut le point de départ d'un nouveau projet d'étude des météores par voie photographique : ce fut la naissance du réseau de surveillance des météores, l'European Fireball Network ou Réseau Bolide.

A voir : Météores filmés avec une caméra CCD QHY5L-II

A consulter : Forum All Skycam France - Réseau Fripon (France)

Cliquer sur l'image de gauche pour lancer une animation (GIF de 34 Kb) des fumées persistantes et colorées accompagnant le passage de la future météorite de Tagish au-dessus de la Colombie Britannique le 18 janvier 2000. La météorite tomba dans les territoires du Nord du Canada. Dans l'encart un échantillon carboné et poreux contenant des acides de pyridine carboxyliques dont les composants les plus simples se retrouvent dans la biosphère. Cliquer sur l'image de droite pour lancer une animation (AVI de 448 Kb) d'un bolide apparut le 10 avril 2000 au-dessus de Woodinville, île Gabriola. Il fut capturé par la caméra All-Sky de la station Sandia installée dans le SO Pacifique. Documents AMS/NASA-Astrobiology.

Dans les années 1960, ce réseau fut étendu aux Etats-Unis sous le nom de Prairie Network et le projet rebaptisé Fireball Patrol Network. La plupart du temps ces stations photographiques opéraient automatiquement du crépuscule à l'aube lorsque la nuit était claire.

Au début des années 1970, les réseaux russes et canadiens se sont joints au projet, rassemblant ensemble jusqu'à 40 stations. Des amateurs s'y sont joints également. En 1973, un réseau All-Sky se constitua en Angleterre autour de K.B. Hindley, directeur de la section météore de la très active British Astronomical Association. Pour des raisons financières les amateurs utilisaient alors des boîtiers réflex de 35 mm munis d'objectifs fish-eye ou ultra grand-angle.

Pour des raisons financières les réseaux Prairie furent démantelés dans les années qui suivirent. Le grand dessein du réseau américain s'estompa lentement; quatre caméras aériennes de grand format étaient utilisées en chaque station, consommant chacune quelques mètres du très onéreux plan film de 24 cm de largeur chaque nuit.

De nos jours le réseau de surveillance de l'Observatoire d'Ondrejov utilise des objectifs fish-eye Zeiss Distagon de 30 mm f/3.5 dont la couverture totale du ciel peut-être atteinte avec le format 6x6. Des photographies prises avec ces objectifs parurent dès 1975 dans la revue Sky & Telescope.

Le premier résultat retentissant de l'association tchèque fut obtenu dès 1977 lorsqu'un bolide extrêmement brillant fut photographié par six stations. Les analyses de ces données ont révélé que ce bolide avait suivi une trajectoire d'au moins 184 km en 6.68 secondes (27.5 km/s). La masse initiale qui atteignait une tonne fut complètement désintégrée à une altitude de 40 km. Des éventuels débris furent recherchés dans la région mais les scientifiques ne s'attendirent pas à trouver de débris d'une masse supérieure à 10 g.

Aujourd'hui grâce aux progrès de l'électronique, la plupart de ces projets sont obsolètes. Des caméras vidéo (CCTV) très sensibles telle la caméra CCD Supercircuits PC164C présente une sensibilité de 0.0003 lux et coûte moins de 150 euros. Grâce à cette caméra extrêmement performante la vitesse des bolides peut facilement être dérivée à partir d'une série d'images prises à partir de deux stations distantes et l'obturateur rotatif devient inutile.

Chris L.Peterson de l'Observatoire de Cloudbait utilise cette technique avec succès depuis quelques années en association avec le Museum of Nature and Science de Denver. Disposant de caméras vidéo noir et blanc ultra sensibles PC23C et PC164C il espère étendre son projet All-Sky à travers tout le Colorado et bientôt à plus grande échelle encore.

Parmi les caméras offrant des performances similaires citons les modèles QHY QHY5L-II, KT&C KPC-650, KPC-350, DX201 et WATEC WAT-902B et WAT-902H dont certains modèles sont au diamètre de 31.25 mm et acceptent même un objectif fish-eye moyennant un adaptateur. Notons que ces modèles ne restent que quelques années au catalogue des fabricants mais peuvent être disponibles que sur le marché d'occasion.

En France, sous l'égide de l'Observatoire de Paris, depuis 2013 un réseau All-Sky s'est également constitué, FRIPON, équipé d'une centaine de caméras All-Sky et de plusieurs récepteurs radios et même d'un radar militaire pour détecter les météores.

Fabrication d'un système All-Sky "maison" : Jérôme Rudelle - Cédrix Thomas

A consulter : Caméras All-Sky d'Alcor System

Review of Fisheye 8 mm f/3.5 Peleng

A gauche, la caméra All-Sky EUDA de 8 Mpixels développée par Alcor System. Au centre, l'installation vidéo utilisée à l'Observatoire de Cloudbait dans le cadre du projet All Sky de Chris L.Peterson en association avec le Musée de la Nature et des Sciences de Denver. Ce projet utilise une caméra vidéo Supercircuits PC23C qui filme l'image du ciel réfléchie par un miroir convexe que l'on aperçoit au centre de l'image. Cette caméra présente une sensibilité de 0.04 lux et fonctionne sur une batterie 12V. A droite, l'essaim des Léonides capturé le 18 novembre 2001. Document Cloudbait.

Notons qu'en France la société Alcor System propose des caméras CCD All-Sky très performantes offrant une résolution de 0.3 à 8.3 Mpixels selon les modèles. Toutefois, cette solution est assez chère. Comme l'ont démontré Jérôme Rudelle et Cédrix Thomas, il est possible de fabriquer son propre système All-Sky pour le prix d'une caméra CCD, d'un objectif fish-eye plus quelques accessoires de récupération, soit pour moins de 500 €. Avis aux bricoleurs.

Si l'APN est performant pour réaliser des photos y compris dans des conditions de faible éclairement, ses capacités vidéos et ses cadences de prises de vues sont limitées. Pour l'application All-Sky la caméra CCD présente bien plus d'avantages. Toute caméra y compris couleur offrant une sensibilité élevée (0.003 lux) convient mais le dispositif doit être géré par ordinateur. Il faut donc que la caméra accepte une connexion USB et idéalement qu'elle dispose d'une alimentation PoE (Power over Ethernet). Cette technologie permet d'utiliser un seul câble entre l'ordinateur et la caméra pour l'alimenter et transférer les images. Ce câble peut mesurer jusqu'à 100 m de longueur. La vitesse de prise de vue doit être rapide (30 fps) et peut pour les transferts de données, il faut compter sur un débit d'au moins 1 Mbits/s. Notons qu'une caméra mégapixel enregistre au cours d'une nuit environ 100 MB d'images.

Prochain chapitre

Une activité à la portée des amateurs

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