Un coronographe est un appareil destiné à observer
la couronne solaire (c'est à dire le pourtour du disque solaire). Cet
instrument a été inventé et mis au point au Pic du Midi
en 1930 par Bernard Lyot, astronome et inventeur génial né en
1897. Il a réussi grace à une combinaison optique particulièrement
judicieuse à surmonter tous les problèmes que présentaient
une telle observation (la diffusion de la lumière par les optiques notament).
Il est également l'inventeur d'un filtre monochromatique permettant d'isoler
la raie H-alpha et d'un "coronomètre photoélectrique" permettant
d'observer la couronne en plaine, et sans coronographe.(ci-contre,
Bernard Lyot faisant de la baignoire dans l'une des citernes gelées du
Pic)
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programme CORO.EXE: aide au calcul d'un coronographe de Lyot, et éphémérides solaires / !! nouvelle version corrigée v1.1 !! (voir sur cette page)
Pages suivantes:
Notre prototype de coronographe
suivi de
Notre seconde version definitive
Voir aussi les pages d'observations des protubérances solaires: photos fixes et animations
Ainsi que le catalogue des films vidéos
Les Flammes du Soleil: Film en hommage à B.Lyot / Images & texte du film
Principe de fonctionnement du coronographe
Le coronographe est un appareil destiné à reproduire artificiellemnt une éclipse totale de Soleil. La première idée qui pourrait venir à l'esprit pour ce genre d'instrument serait de cacher simplement l'image du soleil donnée par une lunette grace à un écran. Cette idée avait fait l'objet de nombreuses tentatives au siècle dernier, toutes soldées par des échecs. La lumière diffusée par l'objectif ne permettait pas l'observation des protubérances solaires (100000 fois moins brillantes que la surface du Soleil). L'apport majeur de Lyot a été de comprendre que l'on pouvait arréter cette lumière diffusée en plaçant un diaphragme à l'endroit approprié.
Le doublet achromatique
ou la lentille simple forme l'image du Soleil à son foyer, sur le cône
occulteur qui couvre exactement l'image du disque. Seuls subsistent les rayons
lumineux provenant de la couronne solaire. La lentille O2 donne de l'image du
Soleil occulté une image virtuelle, avancée de quelques mm, et
donne du doublet achromatique (ou objectif O1) une image réelle sur le
diaphragme. Ce dernier permet de se débarasser de la lumière parasite
diffusée par la monture de l'objectif O1. Il est parfois souhaitable,
surtout pour des coronographes de fort diamètre, de placer en outre un
écran de quelques mm de diamètre, au centre du diaphragme, pour
arréter les rayons lumineux provenant de réflexions sur les faces
de l'objectif O1.
L'objectif O3 donne de l'image virtuelle du disque occulté préalablement
formée par O2 une image réelle observable à l'oculaire
ou reçue sur la pellicule d'un appareil photographique.
Entre les deux éléments constituant l'objectif O3, les rayons
lumineux sont parallèles, ce qui permet d'utiliser un filtre monochromatique
H-alpha dans les meilleures conditions. La bande passante de ce filtre peut
varier dans de grandes proportions, du simple filtre rouge Wratten (100 nm de
B.P.) au filtre de type Daystar (~0.06 nm) en passant par un filtre interférentiel
classique non chauffé (~10nm), le prix de ces éléments
allant de quelques dizaines de francs pour le premier à quelques dizaines
de milliers de francs pour le second! Nous avons opté pour la troisième
solution, entre 500 et 1200FF. Voir les remarques importantes à ce propos
un peu plus loin.
Formules pratiques
Voyons
maintenant comment fonctionne le coronographe et surtout comment placer les
elements optiques les uns par rapport aux autres. Les formules utilisées
sont très simples: on les trouve dans tout livre d'optique géometrique.
Nous allons illustrer la théorie avec une application
numérique; on suppose donc que l'on a les composants optiques suivants:
Objectif O1: focale F=1000mm
Objectif O2: focale f=200mm
Objectifs O3 et O3': focale identique f3=300mm
Disposition de O2:
La lentille O2 peut être soit soit bi-convexe, soit plan-convexe, soit
en ménisque. On aura interêt à la choisir dans ces deux
dernières catégories, et si possible, avec des rayons de courbure
pas trop prononcés. Ceci dit, un doute peut subsister à propos
de son orientation:
nous avons mis la face convexe à l'avant afin d'éviter que
la face plane (cas d'une plan-convexe) ou la face concave (cas d'un menisque)
ne
renvoie un reflet vers l'objectif O1. La principale raison étant aussi
que les rayons les plus inclinés émergeant de O2 vers le diaphragme
attaquent la face de sortie sous un angle moindre, diminuant ainsi les aberrations.
A noter que c'est aussi la disposition adoptée pour le coro du Pic du
Midi.
Quel diamètre pour le disque occulteur?
Bien entendu, le diamètre 'd' du disque occulteur va dépendre de la focale de l'objectif O1, mais aussi du diamètre apparent du Soleil:
avec d = le diametre recherchéEn outre, il faut tenir compte du fait que le diametre apparent ( en secondes d'arc) du Soleil varie au cours de l'année:
F = la focale de l'objectif (ici 1000)
et 206265 representant le nombre de secondes d'arc dans 1 radian,soit ((180 x 3600) / Pi)
Afin d'aider au calcul des éléments optiques du coronographe,
nous avons créé récement (Mai 2000) une feuille de calcul
au format Excel, (Microsoft Excel 97, extension .xls; pour d'autres formats
de tableurs, nous contacter);
Cette feuille permet de calculer les emplacements des divers éléments
optiques, en fournissant en entrée:
La focale de l'objectif O1Elle fournit en sortie:
La focale de la lentille O2
La distance A = O2-Disque occulteur
La focale des objectifs O3
Les dimensions mini et maxi des disques occulteursEn bref, il s'agit d'une aide au calcul, qui permet "d'explorer" facilement les diverses possibilités et combinaisons optiques, et évite de s'engager dans de mauvaises solutions (puisques certaines combinaisons optiques conduisent à des impossibilités).
La distance B = O2-Diaphragme
La valeur intermédiaire x
La distance C = O2-O3
... et indique la faisabilité du coronographe en fournissant quelques conseils d'optimisation en fonction des résultats obtenus.
Pour
la télécharger (30 Ko seulement), cliquez ici ou sur l'image ci-dessus!
Son
emploi est indispensable dans le cas d'un ciel de plaine, cependant, il peut
y avoir plusieurs "écoles" quand au type de filtre à utiliser:
-Il est totalement inutile de prendre un filtre très
resséré, de moins de 1 Angstrom de bande passante, car alors,
les protubérances apparaitront sans coronographe...et finiront par disparaitre
si le filtre est trop serré. De plus ces filtres sont très
chers (plus de 10000F...) et s'usent assez rapidement (quelques années
parfois).
-Nous avons utilisé un filtre interférentiel
de 10nm (100Ä), ce qui semble un très bon choix d'apres nos observations.
Il est bien moins cher (aux alentours de 1000F). On peut en trouver pour 500F
aux USA. (Edmund Scientifics par exemple http://www.edcsi.com
). ATTENTION CEPENDANT!!
Un échange récent (Aout 2001) avec David M Groski (USA)
a révélé que le filtre 10nm d'Edmund n'est pas de même
qualité que le 10nm de Melles-Griot par exemple: il apparait que
même si la largeur de bande est la meme (environ 10nm) pour les deux filtres
à 90% de transmission, le filtre d'Edmund a en revanche une plus grande
bande passante à 20%. Ceci a pour effet de diminuer le contraste, et
selon les tests réalisés par David, le 10nm d'Edmund n'a pas donné
de résultats. Donc attention!...
-Pierre Bourge recommande dans son livre un filtre
compris entre 30Ä et 5 Ä, c'est mieux, mais c'est plus cher et un
peu plus difficile à trouver. A noter cependant que les résultats
seront meilleurs avec un filtre plus resserré si l'on observe a travers
une atmosphère épaisse (pollution,...) . A ce propos, nous sommes
recemment passés à un filtre de 1nm de chez LOT-ORIEL: le contraste
est bien meilleur et il est possible d'observer avec un ciel plus épais,
voire très légerement voilé (conclusions identiques d'après
David Groski); la contrepartie est un prix plus élevé: autour
de 300 $US.
-Enfin, on peut signaler que J-M Roques avait fabriqué en 1960 un coronographe muni d'un simple filtre rouge Wratten n°70 (environ 100nm de B.P., et autour de 100F!...) avec des résultats tout à fait bons (voir l'Astronomie, 1961 p.67-72), solution de loin la plus économique... nous n'avons jamais testé cette solution: elle requiert certainement un ciel excellent et un instrument parfait.
Voici quelques liens ou noms à "explorer" pour l'achat de filtres interferentiels:
http://www.sover.net/~maierpho/p0000049.htm (tres bon marche !).
http://www.andcorp.com (Andover Corporation)
également Lot-Oriel, Melles-Griot, etc... si vous trouvez des contact, n'hesitez pas à les faire connaitre!
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