› Philosophie et historique


J'observe et je fais des images de la surface du Soleil depuis mes débuts dans l'astronomie. A ce titre, j'ai eu l'opportunité de posséder ou d'utiliser de nombreux instruments (voir matériel standard). Il y a encore quelques années, l'observation des protubérances et qui plus est de la surface du soleil en Halpha était réservée à une poignée d'astronomes amateurs qui pouvait investir dans des filtres au tarif exorbitant. Depuis, l'observation solaire s'est démocratisée notamment grâce à la diversification de l'offre proposée par les fabricants et au tarif toujours plus compétitif pour des instruments toujours plus performants. Mon instrumentation personnelle pour observer le soleil en Halpha ou en CaK est limitée à 60 mm de diamètre. Même si ce dernier reste confortable, j'ai souvent constaté, que la résolution de mes images solaires était plus limitée par le diamètre que par la turbulence. Aussi, j'ai rapidement souhaité trouver une solution pour augmenter le diamètre de mes instruments. J'ai donc commencé par me fixer les critères suivants que devront remplir mon futur instrument solaire :

+ Observation et imagerie en Halpha avec un diamètre d'au moins 200 mm

+ Si possible observation et imagerie également en CaK et LB

+ Coût raisonnable

+ Poids inférieur à 15 kg pour faciliter le transport et surtout éviter l'achat d'une monture massive.

Mission impossible ? Presque ! En effet, j'ai mis près de 5 ans avant de trouver une solution à cette équation quasi insoluble. J'ai imaginé toute sorte de configurations dont voici une petite sélection.

En 2007, la société LUNT, tout récemment créée travaille sur l'élaboration d'un télescope de 200 mm de diamètre permettant d'observer le soleil en Halpha double stack ou en CaK, le tout pour un prix annoncé autour de 5000 €. Je crois alors tenir la solution. Hélas cet instrument ne verra jamais le jour. A peu près à la même période, les premières modifications du PST apparaissent. Ces modifications consistent à monter l'étalon Fabry Perot du PST derrière une lunette de plus gros diamètre préalablement équipée d'un filtre Erf. Malgré tout, cette nouvelle piste intéressante ne permet pas d'atteindre la barre des 200 mm à cause du prix exorbitant de l'instrumentation hors système de filtration (lunette et monture) et m'oblige à renoncer au CaK. De plus, malgré mes demandes, Baader ne souhaite pas commercialiser un filtre Erf de 200 mm, indispensable pour l'observation en Halpha.

Finalement, je dois me rendre à l'évidence, soit je renonce à certains des critères évoqués plus haut (le diamètre semble le plus facile à revoir à la baisse), soit il va falloir fabriquer un instrument unique, innovant et sur mesure. Par goût du défis et ne voulant pas transiger sur mes critères, je choisis de me lancer dans la conception d'un instrument entièrement dédié à l'observation solaire. J'envisage alors plusieurs pistes et finalement, je m'arrête sur un design début 2012. Cet instrument voit le jour début 2013, soit plus de 6 ans après mes premières réflexions !




› Principe optique


Le principe optique choisi pour l'instrument solaire est le plus simple qui existe : un télescope de type Newton. En effet ce télescope présente de nombreux avantages :

+ Pas de verre traversé par la lumière, donc pas de chromatisme ou sphéro-chromatisme (dramatique en CaK notamment)

+ Modifications mécaniques et optiques facilement réalisables

+ Prix très compétitif pour des diamètres relativement importants

Sans adaptation, un télescope Newton ne permet pas d'observer le Soleil sans filtration à l'objectif à cause des risques importants d'échauffement du miroir secondaire. Or tout système de filtration à l'objectif vendu dans le commerce est beaucoup trop absorbant pour l'imagerie en bande étroite (1/6300e pour un filtre astrosolar baader densité 3.8). En effet à cause de l'étroitesse de la bande passante en Halpha (< 1 A) et dans une moindre mesure en CaK (2.4 A), il est fondamental de conserver le maximum de flux lumineux (idéalement 100%) dans ces longueurs d'onde. A titre d'exemple, j'ai déjà monté mon bloc de filtration CaK sur mon Schmidt Cassegrain de 200 mm protégé à l'objectif par une feuille astrosolar baader de densité 3.8. Il est possible d'obtenir au foyer une image correctement filtrée à 393 nm, cependant le flux lumineux est tellement faible que le temps d'exposition est de l'ordre de la seconde avec une Basler 1300. L'image obtenue est évidemment totalement inexploitable à cause de la turbulence.

Plusieurs astronomes amateurs utilisent avec succès des télescopes Newton dont le miroir primaire a été désaluminé pour observer et photographier la photosphère. La réflexion vitreuse sur le primaire engendre alors une transmission de l'ordre de 4% tout comme les hélioscopes que l'on peut monter sur des lunettes. Même si une transmission de 4% de lumière en Halpha est supérieure à celle obtenue derrière une filtration à l'objectif avec une feuille baader par exemple, cela reste malgré tout trop faible pour espérer pouvoir observer le soleil dans cette longueur d'onde. Toujours parce que la bande passante des filtres en CaK est plus large que celle des filtres Halpha, il est possible d'utiliser la réflexion vitreuse pour observer le soleil à 393 nm avec un Newton désaluminé ou un hélioscope monté sur une lunette. Au final, la seule solution permettant d'observer avec des conditions exploitables le soleil en Halpha et en CaK avec un télescope consiste à rendre le miroir primaire réfléchissant à 100% ou presque en Halpha et à 4% dans les autres longueurs d'onde. Une telle propriété du miroir ne peut être atteinte qu'en réalisant un dépôt de couches minces sur toute la surface du miroir primaire.

Ainsi, j'ai choisie cette solution pour la fabrication de mon télescope solaire qui est donc composé des éléments optiques suivant :

+ miroir primaire parabolique ayant subit un dépôt de couches minces visant à réfléchir les longueurs d'onde d'intérêt et conserver une réflexion proche de la réflexion vitreuse dans le reste du spectre

+ miroir secondaire plan aluminé ayant une réflexion proche de 100% dans tout le spectre

+ filtration secondaire au niveau du porte oculaire (IR/UV, Continuum, Halpha, CaK,....)

Le principe optique du télescope solaire est illustré sur le schéma ci-dessous :


Filtration principal


La filtration principale est assurée par la pièce maîtresse du télescope, à savoir le miroir primaire. Elle permet de limiter l'échauffement du miroir secondaire et des filtres utilisés pour la filtration secondaire.

L'idée principale de la conception de ce télescope est de remplacer le filtre Erf qui fonctionne par transmission par un miroir assurant la même fonction, mais en le faisant par réflexion.


Filtrations secondaires


Afin de limiter au maximum l'échauffement résiduel, plusieurs filtres sont ajoutés dans le porte oculaire du télescope. Chaque filtre n'absorbe qu'une partie du rayonnement et donc qu'une partie de l'énergie.

En amont de toutes les filtrations secondaires, j'intercale un filtre astronomik UV/IR cut au coulant 50.8 mm pour couper le reste du rayonnement IR et UV réfléchi par le miroir. Ce filtre est choisi car sa courbe de transmission dans le violet laisse encore passer le CaK à 393 nm contrairement à d'autres filtres concurrent.

Pour l'observation de la photosphère, le télescope solaire est utilisé comme tout télescope normal, c'est à dire en vissant des filtres Continuum, Klines, W58, ... sur l'adaptateur 31.75 mm de la caméra. Néanmoins, le flux lumineux reste encore trop important. Il est nécessaire d'ajouter des filtres de densités neutres pour éviter la saturation de la caméra.

L'observation en CaK est réalisée en insérant simplement le bloc filtrant Lunt B1200 dans le porte oculaire derrière le filtre IR/UV.

Enfin pour le Halpha, c'est un fabryPerrot de PST et un renvoi coudé Coronado BF10 qui seront montés sur le porte oculaire. Le fabryperrot devant fonctionner à f/28 au minimum, un système télécentrique sera fabriqué sur mesure pour passer atteindre ce rapport d'ouverture. Par la même occasion, un correcteur de champ sera également intégré au système télécentrique. Pour le moment, je ne possède pas ce matériel mais il devrait rapidement faire l'objet d'un investissement. Des optimisations seront sans doute réalisées suite aux premiers essais en Halpha. J'aurai alors l'occasion de remettre à jour cette page.




› Réalisations et modifications


Pour parer au plus presser, au moins cher et surtout pour valider le concept novateur et unique du télescope solare, il est fabriqué à partir d'un instrument du commerce qui sert de "matière première". Mon choix s'est porté sur un Dobson SkyWatcher FlexTube de 200 mm, pour les raisons suivantes :

+ son coût est raisonnable

+ son miroir primaire est ouvert à 6, or ce rapport F/D est un bon compromis entre le contraste et la longueur du tube

+ son miroir primaire est tenu uniquement sur sa périphérie laissant toute la surface arrière du disque en contact avec l'air ce qui permet à la fois une meilleur mise en température mais également de mieux évacuer la chaleur issue du soleil

+ son tubre optique permet de régler facilement la distance entre le primaire et secondaire et ainsi contrôler le backfocus suivant les configurations utilisées.

+ son porte oculaire au coulant 50.8 permet d'insérer mes systèmes de filtration secondaire et est facilement motorisable à moindre coût.

Du Dobson original, seul le tube est utilisé, l'embase n'a aucun intérêt dans l'utilisation envisagée. En effet, sans être de qualité irréprochable, un suivi équatoriale est malgré tout fondamental pour l'imagerie solaire à haute résolution. Le tube est donc fixé sur une monture équatoriale. En attente d'une solution plus définitive, le tube est pour le moment installé sur mon EM 200 Temma PC.


Modifications optiques


Toutes les modifications optiques permettant de transformer le tube du Dobson Flextube en télescope solaire concernent le miroir primaire. Il serait totalement aberrant d'appliquer un traitement de surface aussi particulier sur un miroir issu d'un surfaçage de série de qualité moyenne. Aussi, j'ai confié la retouche du miroir à la société Mirro-shpère. A l'issue de ces retouches, la qualité optique du miroir est excellente comme en atteste le bulletin de contrôle ci-dessous.

Après être passé entre les mains de la société Mirr-sphère, le miroir est parti pour être traité par dépôt de couche mince par la société MCM. La réalisation d'un tel dépôt a posé de nombreux problèmes de réalisation notamment pour assurer l'homogénéité du traitement sur toute la surface du miroir primaire. En effet, ayant demandé d'avoir un miroir primaire disposant de 2 pics de transmission à 2 longueurs très différentes (393 nm et 656 nm), les premiers essais ont montré que les pics de transmission se décalaient en longueur d'onde l'un par rapport à l'autre suivant la zone du miroir considéré. Finalement la forte implication de la société MCM (et les très nombreux essais), le projet a pu aboutir tout en respectant le cahier des charges initial. Une photo du miroir près à être traité dans la chambre à vide de la société MCM est visible ci-dessous.

Photo du miroir primaire dans sa chambre à vide (image MCM)

La courbe de transmission définitive après traitement est présentée sur le graphique ci-après. En plus d'une transmission approchant les 97% en Halpha et les 27% en CaK, le hasard du traitement permet d'avoir une transmission de 10% autour de 530 nm (continuum) et de 430 nm (bande G). Ces deux dernières longueurs d'onde sont particulièrement bien adapté à l'observation de la photosphère. La plus forte transmission dans ces 2 longueurs d'onde va permettre d'utiliser des filtres à bande très étroites tout en conservant des temps d'exposition très faible pour figer la turbulence.

Courbe de transmission mesurée pour le miroir primaire

C'est finalement presque un an après l'envoi du miroir que je reçois en juin 2013 cette magnifique pièce optique qu'il me tarde d'essayer. Mais avant de réaliser la première lumière, quelques modifications mécaniques se sont avérées nécessaires.

Miroir primaire après le traitement multicouche


Premières modifications mécaniques


Pour effectuer les premiers tests de l'instrument et valider son principe optique, la première modification consiste a ajouter une queue d'aronde pour monter le tube sur ma monture équatoriale EM200. Pour cela, je fais au plus simple : j'utilise la queue d'aronde de mon SC 200 qui me sert très peu, je fais 4 trous dans le tube en alu du flextube, puis 4 visses et 4 boulons et le tour est joué.

Comme montré sur le schéma de principe du télescope, j'ai choisi de positionner entre le secondaire et le porte oculaire un filtre IR/UV afin de couper les IR résiduels et ainsi de protéger les systèmes de filtration secondaire. Pour adapter un tel filtre, j'ai fait fabriquer une pièce par la société mécanique SkyMeca. Cette pièce (voir photo ci-dessous) se positionne à l'intérieur du porte oculaire.

Pièce mécannique permettant de visser le filtre IR/UV dans le porte oculaire



› Première lumière en CaK


La première lumière d'un instrument est toujours un moment excitant d'autant plus pour un télescope conçu ou fabriqué par l'astronome amateur lui-même. Même si je n'ai pas réellement fabriqué de mes mains ce télescope, son concept révolutionnaire amène nécessaire des questions (et des angoisses) : Est-ce que je vais voir quelque chose ? Est-ce que le télescope va fonctionner comme je le pensais ? Est-ce la chaleur au foyer ne va pas être trop importante au risque de détériorer les filtres monté dans le porte oculaire ?

C'est donc le 7 Juillet 2013 que je monte pour la première fois le télescope sur la monture. Première déconvenue, impossible de réaliser l'équilibrage aussi bien en déclinaison qu'en ascension droite. Pour l'ascension droite, je rajoute du poids sur la barre grâce à des poids de servant pour le renforcement musculaire. Quant à la déclinaison, je bricole rapidement un système pour déporter la queue d'aronde. Au final, même si j'arrive à équilibrer l'ensemble, l'instrument manque cruellement de rigidité.

Avant de monter quoi que ce soit au foyer du télescope, je colle une feuille de papier blanc et je dirige le télescope vers le soleil. Le soleil se focalise alors sur le papier. Pendant près de d'une demi heure, je vais relever la température à l'aide d'un thermomètre IR au foyer, sur le primaire et sur le miroir secondaire. Je note aucune élévation de température à aucun endroit de l'instrument. Cela confirme mes calculs théoriques et je suis rassuré. Ma plus grande crainte disparaît : le projet peux continuer.

Souhaitant progresser étape par étape, j'installe d'abord le filtre IR/UV à la base du porte oculaire. Pendant encore 30 minutes, je me mesure la température du filtre. Je ne décèle à nouveau aucune élévation de la température. Je monte alors le module CaK Lunt B1200 et la caméra PL1-M. Toujours par soucis de précaution, je préfère perdre la PL1-M que la Basler en cas de problème.

L'image s'affiche enfin à l'écran. Le flux lumineux est important et je vois les grande structure en CaK. Le principe optique du télescope fonctionne, c'est un nouveau ouf de soulagement. Par contre, je note tout de suite 2 problèmes important : la turbulence est tout simplement énorme et ile ^est totalement impossible d'obtenir une image fine même dans les moments de calme relatif. Au final même si la première image démontre que le principe du télescope fonctionne, elle en reste néanmoins bien décevante en terme de piqué.

Première image en CaK faite avec le télescope solaire et une caméra PL1-M

Les quelques jours qui suivent, je me suis atteler à trouver la cause de ce manque de piqué. Pour cela, j'ai refait une bonne collimation du télescope, tout d'abord sur une étoile artificielle, puis sur une étoile réelle. En effet, l'avantage de ce télescope est d'avoir une transmission dans le rouge suffisante pour pouvoir collimateur le télescope sur une étoile brillante.




› Seconde lumière en CaK


Le 11 Juillet 2013 au soir, alors que le soleil est bas et que le vent est très violent, je repointe le télescope vers le soleil, toujours avec la PL1-M. Cette fois, le gain en piqué est notable. Par moment, je sens enfin la puissance du diamètre. Cependant la turbulence est toujours aussi énorme.

Seconde image en CaK faite avec le télescope solaire et une caméra PL1-M

En étudiant un peu la turbulence, je constate très bien qu'elle n'est pas dû que au ciel car il y a de grandes vagues lentes qui difforment l'image sur plusieurs dizaines de pixel. A ces grandes vagues s'ajoute deux composante beaucoup plus rapide, un bouillonnement incessant et très rapide et un second un peu plus lent qui se calme de temps à autre. Je comprends alors que la turbulence à l'intéireur du tube doit être très importante. C'est le prochain point d'amélioration du télescope.




› Seconde modifications mécaniques


Pour lutter contre cette turbulence instrumentale, il y a deux options :

+ ouvrir totalement le télescope pour que tous les éléments optiques soient le plus possible à l'air libre,

+ fermer totalement le télescope avec si possible une mise sous vide de l'intérieur de l'instrument.

Au vue de la configuration mécanique initiale du télescope et pour des raisons de simplicité évidente, je choisis la première solution. J'ai décidé de supprimer le plus long tube plein de couleur noir et de le remplacer par un structure de type serrurier. Cette structure a l'avantage de laisser une circulation d'air plus importante et permettre à la chaleur accumulée à la surface du miroir de d'évacuer sans remonter le long du tube.

Une fois de plus, je confie cette modification à la société SkyMeca. Je reçois la nouvelle structure du télescope en Mai 2014. Je trouve finalement un créneau pour observer le soleil avec ce nouveau télescope le 11 Juin 2014 au soir alors que le Soleil est déjà très bas sur l'horizon.

Transformation du télescope en serrurier

Malgré la faible hauteur du Soleil, ça y est la turbulence instrumental a quasiment totalement disparue. Je n'ai plus ces grandes ondulation ni ces mouvement rapide. Le piqué des images à l'écran s'en ressent immédiatement. J'obtiens pour la première fois une image de meilleure qualité que ce que j'obtenais jusqu'à présent avec ma LS60T CaK.

Première image avec le télescope solaire modifié



› Point actuel sur le télescope solaire


A ce jour, le télescope fonctionne correctement. Cependant, il est encore bien loin d'avoir livré tout son potentiel. A force de modifications, les images se sont améliorées grandement à chaque sortie. Dans la dernière configuration du télescope, j'ai noté encore un point faible concernant la mécanique : le support de la queue d'aronde. En effet cette dernière est fixée à 2 tubes du serrurier, ce qui avec le poids de l'instrument engendre des contraintes déformant ainsi la structure et rendant l'ensemble peu stable. Une modification de ce point est à l'étude.

Le télescope a été conçu initialement pour pouvoir observer le soleil en CaK, en LB et en Halpha. Seule l'observation en CaK a fait l'objet de test. Mais avant de passer aux autres longueurs d'onde, j'attends de régler tous les détails en CaK. J'ai malheureusement laissé un peu de coté la conception de ce télescope cette dernière année m'ayant concentré sur la construction de mon observatoire. Ce dernier étant maintenant fini, je compte reprendre les optimisations de ce télescope courant 2015. La route est encore longue et sans doute sinueuse, mais c'est ça qui est stimulant ...