The Solar Explorer  -   23 septembre 2021

Etoiles

Star’Ex est une extension de l’instrument Sol’Ex. Cette version permet aux amateurs d’astronomie de réaliser des spectres d’étoiles, de nébuleuses, de galaxies… et leur ouvre ainsi en grand les portes de l’astrophysique. La spectroscopie est la science de la lumière, accessible à moindre coût et facilité grâce à un équipement comme Star’Ex. Pour qu’un « Solar Explorer » devienne techniquement un « Stellar Explorer » il suffit de fabriquer en impression 3D un petit module de pointage des étoiles, ou de toute autre source de lumière dont vous voulez prendre le spectre. Pour le reste, laissez-vous guider par les explications données dans cette page et les nombreuses réalisations des amateurs pour découvrir le monde fascinant de la spectroscopie astronomique. C’est la promesse de Star’Ex..


Cette section du site décrit comment on fabrique le module de pointage à ajouter à Sol’Ex, comment on règle celui-ci et vous aide à faire vos premiers pas dans l’utilisation de Star’Ex.

Partie 1 : la réalisation du cube de pointage

L’image ci-après présente l’instrument Star’Ex en situation pour observer les étoiles. On identifie le module de guidage/pointage tout à l’entrée, ressemblent à un cube, qui fait le lien entre la lunette (ou le télescope), ainsi qu’une extension, la caméra de guidage/ Sol’Ex en lui-même est inchangé, mais on remarque une caméra d’acquisition dont le détecteur est refroidi pour une meilleure performance sur les objets faibles (recommandé, mais pas obligatoire pour les premières armes).

Star’Ex au complet avec sa caméra de guidages et une caméra d’acquisition des spectres disposant d’un système de refroidissement du capteur.

Le cube de guidage est important car il va vous permettre de viser l’étoile donc on cherche à prendre le spectre et à positionner celle-ci sur une fente aussi étroite que 10 microns au foyer du télescope. Je montre comment on procède dans une vidéo à suivre.


Une poignée de composants optiques est nécessaire pour réaliser le cube de guidage. Ils sont inclus dans le kit de base de Sol’Ex que vous pouvez vous procurer auprès de Shelyak (voir rubrique « Contact ») :


- deux lentilles de 12,7 mm de diamètre et de 50 mm de longueur focale, qui produisent une image de qualité et permanente de la fente de Sol’Ex sur la caméra de guidage.


- un miroir aluminé de 15 mm de côté.


Le schéma optique du système de guidage/pointage est le suivant :

L’image nette du champ d’étoile focalisé sur la fente par le télescope est réfléchie par la fente (sauf à l’endroit même de la fente). C’est la raison pour laquelle a fente de Sol’Ex est incliné à 30° = après réflexion, la lumière est  dirigée de côté sur un petit miroir de renvoi. Ce dernier réfléchit la lumière vers les deux doublets de 50 mm de focale, positionnée tête-bêche, et qui forment une image nette de la fente sur le détecteur de guidage. Ces deux lentilles forment un transporteur d’images, sur le principe que l’on retrouve sur les périscopes, par exemple.


L’assemblage de ces éléments optiques est fort simple, il ne demande aucun réglage.


Côté mécanique, l’image ci-après montre les pièces à réaliser en impression 3D. Elles sont assez peu nombreuses :

Vous pouvez télécharger les fichiers STL correspondants en cliquant sur le lien suivant (archive ZIP) : guidage_kit.


Vous l’avez constaté, le système de guidage inclue une caméra, et aussi un système de mise au point, qui est d’un indéniable confort. On le constate, la réalisation du module de guidage demande tout de même un certain investissement financier, même si dans un premier temps, la caméra de guidage peut être remplacée par un oculaire de guidage (le guidage ce fait alors à l’oeil, à l’ « ancienne » en quelque sorte !).


Un modèle miniature de caméra fait parfaitement l’affaire. Pour ma part j’utile une caméra ASI290MM mini, mais on trouve très facilement les équivalent chez QHY ou ailleurs. Le dispositif de focalisation est le système hélicoïdale dans l’exemple à droite, mais des modèles plus économiques, ou même fabriqués en impression 3D peuvent êtres employés.



Une fois ces pièces imprimées, vous pouvez procéder au montage.


Il y a 7 inserts RUHEX M3 à monter dans les pièces, 3 dans la pièce « tube guide #3 », et 4 dans la pièce « cube guide 1# ». La procédure est décrite en détail à la section « Construction » de Sol’Ex.


Le montage proprement demande de coller le miroir de 15 mm dans le support incliné #2. Il s’agit de la seule partie qui demande un peu d’attention. Le montage des lentilles revient à un simple empilage en prenant garde au sens de montage :

Les photographies suivantes montrent l’aspect du tube de guidage qui intègre les deux lentilles. 

Les étapes sont présentées en détail dans la vidéo suivante (cliquez sur l’image) :


Partie 2 : le réglage de la caméra de guidage

Avant de vous diriger vers la lunette ou le télescope, une bonne idée est de régler de jour et sur table la caméras de guidage/pointage. Le but est de réaliser la netteté de l’image de la fente sur le détecteur et d’orienter correctement celle-ci. Par rapport à l’imagerie du Soleil avec Sol’Ex, avec Star’Ex la performance en termes de vitesse de lecture du capteur n’étant pas une préoccupation, la fente est orienté verticalement pour bénéficier de la largeur maximale du capteur suivant l’axe spectral et ainsi couvrir un domaine spectral élargi.


La vidéo suivante explique comment réaliser ce réglage.





Partie 3 : les premières observations avec Star’Ex

Je propose de vous mettre dans la situation d’utiliser Sol’Ex dans une configuration aussi voisine que possible de celle du kit Sol’Ex : une fente de 10 microns, un réseau de 2400 traits/mm et les objectifs collimateur et camera de 80 mm et 125 mm respectivement. De même, pour la caméra, on sélectionne une ASI178MM (ou équivalent), courante en observation solaire, mais ne disposant pas d’un système de refroidissement du capteur. Ce dernier point est potentiellement critique lorsqu’il faut capter le spectre des étoiles, des objets faibles qui nécessitent parfois des expositions de plusieurs dizaines de minutes. Ici on est loin des possibilités d’une caméra avec système de refroidissement : le temps de pose maximal est au plus de  qui ne permet des expositions de 3 à 5 minutes au maximum, avec à la clef un bruit thermique très fort. C’est pourtant de cette manière que je vous suggère faire vos premières armes  en spectrographie stellaire, si vous êtes dans cette situation. Il y a au bout de ce chemin de bonnes surprises et un Univers qui s’ouvre. Vous pouvez visionner le film suivant, consacré à la spectrographie observationnelle avec Star’Ex pour en savoir plus.


Cette vidéo explique comment faire ces premiers spectres avec un appareil photo numérique, comment positionner une étoile sur la fente, comment étalonner les observations…







Comme indiqué plus haut, l’usage d’une caméra équipée d’un système de refroidissement du capteur va permettre d’observer des astres d’éclats bien plus faible que celui de Vega./ Parmi les autres options qui permettent d’aller dans cette direction le choix du réseau (densité de gravure) ainsi que la largeur de la fente (qui augmente en proportion du diamètre du télescope).


Voici par exemple le spectre de l’étoile symbiotique CH Cyg observée avec la configuration de la vidéo (très haute résolution spectrale), à ceci près que l’on utilise une caméra refroidie (ASI183MM), ce qui change beaucoup de choses :




Détail de la raie H-alpha à très haute résolution (R=40000) dans le spectre de l’étoile CH Cyg (magnitude proche de 5), réaliser avec une lunette de 65 mm de diamètre seulement.

Le spectre suivant, de l’étoile P Cyg (34 Cyg), toujours pris avec une lunette de 65 mm de diamètre, est remarquable dans le sens où il permet de détailler le coeur de l’aile bleu de la raie H-alpha, peut être une première en astronomie amateur, qui démontre le potentiel de Star’Ex, qui est aussi un instrument de recherche qui se hisse à la hauteur d’instrument bien plus couteux :




Utilisation de configuration solaire Sol’Ex (fente de 10 microns, réseau de 2400 t/mm, objectif de caméra de 125 mm, petite lunette lunette) employée pour détailler de raies H-alpha de l’étoile RS Oph lors du outburst de 2021 - une observation rendu possible par l’emploie d’une caméra refroidi de milieu de gamme (ASI183MM)  :


Quelques unes des options utilisables avec Star’Ex sont décrites à la suite.

Partie 4 : les options

Partie 4.1 : exploitation d’une fente Lhires III


Concevoir un spectrographe comme Star’Ex est une question de compromis. Dans la partie 3 (voir la vidéo) j’ai montré que cet instrument pouvait observer les étoiles avec une fente de 10 microns de large seulement. La performance en résolution spectrale est alors remarquable  (proche de R=40 000). Mais cependant à une condition : que la lunette soit de courte focale (et de petit diamètre). Dès lors que la distance focale s’approche de 1 mètre, la fente bloque une fraction trop significative des rayons lumineux avant qu’ils ne parviennent sur le détecteur en raison de l’élargissement la tache image induite par la turbulence ou les erreurs de suivi.


C’est ici que le compromis intervient : il faut sacrifier un peu de finesse spectrale pour qu’en compensation, le flux de photons entre dans Star’Ex. La solution est simple : il faut utiliser une fente plus large que 10 microns. On ne peut tout avoir simultanément.


Il est parfaitement possible d’associer à Star’Ex un vaste choix de fente, avec des largeurs qui permettent même de monter notre instrument aussi sur des télescopes pouvant avoir 1 mètre de diamètre ! J’ai pris soin à cela, car mon désir est que le projet Sol’Ex/Star’Ex soit aussi souple d’usage que possible.


Pour ce faire, j’ai choisi d’utiliser le jeu de fentes prévu pour les spectrographes Lhires III et LISA de la société Shelyak. Ces fentes peuvent être commandées auprès de cette dernière entreprise. Elles reposent sur le même principe que la fente de 10 microns en votre possession, avec une sérigraphie de haute précision dans une couche de chrome, le tout réalisé sur une fine lame de verre. Votre seul travail est d’imprimer une rondelle support spécifique qui remplace la rondelle actuelle.

Leș fichiers STL (support fente et deux brides) des pièces permettant d’utiliser les fentes Shelyak Litres III peuvent êtres téléchargées en cliquant sur le lien suivant : fente_kit.


La manière de réaliser le montage et le réglage de ces fentes est expliquée dans la vidéo ci-après.

Partie 4.2 : le télescope et la caméra

Vous pouvez fort bien utiliser Sol’Ex au foyer d’un télescope. Par rapport à une lunette, le gain sera bien sûr très significatif grâce à la plus grande surface collectrice et une absence de chromatisme. Un télescope Ritchey-Chretien ouvert à f/8 fera par exemple très bien l’affaire. Si vous disposez d’un Schmidt-Cassegrain ouvert à f/10, je recommande de l’utiliser tel quel, sans ajouter de réducteur de focale en raison des défauts optiques que celui-ci introduit, bien perceptibles en spectrographie. Avec un Newton ouvert à f/4,5 ou f/5 (voir la photographie ci-après), je recommande d’ajouter en revanche une lentille de Barlow pour emmener l’ouverture entre f/8 et f/10.

La largeur de la fente à l’entrée de Sol’Ex détermine le pouvoir de résolution spectral atteint (voir la section « Théorie »).  Mais c’est le seeing et la précision de guidage que permet votre monture qui va en fin de compte définir la largeur de la fente. Depuis un observatoire normal pour les amateurs, je recommande que la largeur angulaire de la fente sur le ciel soit comprise entre 3 et 4,5 secondes d’arc.

Lorsqu’on utilise un réseau de 2400 traits/mm, ou même 1200 traits/mm, le vignettage interne de Star’Ex est assez sévère si on exploite une lunette ou un télescope lumineux., ce qui occasionne une perte de signal (voir la section « Théorie »). La situation est plus critique encore avec un télescope, car l’image du miroir secondaire projetée sur le réseau occupe une part non négligeable de la surface de celui-ci. Dès lors que l’instrument est plus ouvert que f/6,5, je recommande pour l’observation des étoiles d’ajouter dans le chemin optique une lentille de Barlow qui accroît artificiellement la longueur focale de la lunette ou du télescope. Une Barlow donc le grandissement est de 1,5 à 1,8 est souvent un bon choix.


La difficulté lorsqu’une lentille de Barlow est ajoutée est l’apparition d’une aberration chromatique, surtout dans la partie bleue du spectre : 

Observation et simulation optique avec un ancien modèle de lentille de Barlow (CLAVE) de grandissement X2 sur un télescope Newton de 250 mm f/4,5. L’étoile observée est Deneb (alpha Cyg). On remarque l’élargissement de la trace 2D du spectre en allant vers l’ultraviolet. En jouant sur la focalisation (50 microns, 150 microns, …) il est possible d’affiner la trace à certaines longueurs d’onde, mais malheureusement au détriment d’autres parties du spectre. C’est un défaut de chromatisme typique.

Le modèle de lentille APM X2.7, qualifié d’ « apochromatique » par le fabricant, réduit cette aberration par l’emploi d’un verre spécial. J’ai pu le constater par une analyse théorique et par l’observation :

Simulation optique d’une lentille de Barlow type APM X2.7 exploitée sur un télescope Newton ouvert à f/4,5. La correction chromatique est très bonne, avec une qualité image uniforme depuis l’ultraviolet jusqu’à l’infrarouge. Un résultat excellent, notamment pour la spectrographie.

Malheureusement, la courte focale de la lentille APM X2,7 rend son usage difficile si on vise un grandissement voisin de 1,6 à 1,8.  On rappelle que le grandissement A d’une Barlow est donné par la formule :


A = 1 - d/f


avec d, la distance de la Barlow au détecteur et f, la distance focale de la Barlow. Dans le cas de la Barlow APN, la focale est f = -60,3 mm et vérifiera sans peine qu’il faut approcher de très près la lentille de la fente pour aboutir au grandissement désiré de X1,6, ce qui génère de nouvelles aberrations optiques (aberration de sphéricité, car le composant n’est pas calculé pour être utilisé de cette manière). Une lentille de focale plus longue sera préférable, comme la Tele Vue 1.8x de focale de f = -133 mm, que j’ai eu l’occasion de tester avec succès sur une large partie du spectre accessible à Star’Ex. Dans ce cas, le grandissement de 1,6 est obtenu avec une distance lentille-détecteur de 80 mm, ce qui est relativement proche de la valeur nominale. Remarquez dans la photographie ci-après que j’ai logé le lentille dans le coulant de 50 mm après avoir réalisé une petite pièce d’adaptation en impression 3D (de l’intérêt de disposer d’une imprimante 3D !).

Lentille de Barlow Tele Vue 1,8x positionnée 80 mm en avant du plan de la fente de Star’Ex. 

Avec un télescope Newton de 200 mm f/5, cette disposition emmène la focale à 1600 mm, soit une ouverture de f/8, jugée comme un bon compromis entre la réduction (partielle) du vignetage interne dans Star’Ex et la perte de résolution induite par l’augmentation de la largeur de la fente. Une fente de 23 microns de large représente ici environ 3 secondes d’arc sur le ciel et une fente de 35 microns environ 4,5 secondes d’arc. On peut hésiter entre ces deux valeurs, la configuration avec une fente de 35 microns étant plus confortable lors de l’observation, car occasionnant moins de perte de flux, mais réduisant la résolution spectrale d’un facteur 23/35 =  0,66.


Compte tenu de la durée des temps de pose en spectrographie stellaire, pouvant atteindre 15 à 30 minutes sur des images individuelles, l’usage d’une caméra disposant d’un système de refroidissement du détecteur est vivement recommandé, voir ci-contre  l’usage d’une ASI183MM Pro.


On trouvera à la section «Construction» une revue de quelques caméras utilisables. Noter que ce n’est pas en soi le niveau du signal thermique qui est gérant, car celui-ci s’élimine par étalonnage, mais le bruit que ce signal thermique produit, qui lui ne peut pas être éliminé. On a cependant vu qu’il était parfaitement possible d’employer une caméra non refroidie dans la partie 3 de cette section, au minium pour s’initier.

Partie 4.3 : le choix du réseau

La conception de Sol’Ex / Star’Ex offre la possibilité du choix du réseau, ce qui multiplie considérablement les possibilités. Tout réseau de 25 x 25 mm x 6mm peut être employé tel quel (je recommande d’imprimer autant de supports réseau et de boîtes de rangement - voir à la section « Construction »). On trouvera à la section « Théorie » de quoi calculer la performance à attendre des réseaux disponibles.


On se procurera des réseaux compatibles auprès des sociétés ThorLabs ou Optometrix. Des commandes sont aussi possibles par l’intermédiaire de Shelyak Instruments, ce renseigner.


Un réseau se caractérise d’abord par la densité de gravure. Les valeurs standards sont 150, 300, 600, 1200, 1800, 2400 traits/mm. Plus la densité de gravure est forte, plus le réseau est dispersif. Pour certaines applications, on va chercher une faible dispersion par la force des choses, car l’objet à voir est de très faible éclats. On peut aussi souhaiter couvrir un large domaine spectral en une seule image.


Une autre caractéristique est la longueur d’onde de blaze. Suivant les paramètres de fabrication (forme des traits), le réseau peut concentrer préférentiellement la lumière dans une région spécifique du spectre. Pour les applications concernant la partie visible, la longueur d’onde de blaze est 500 nm. Mais on trouve aussi des réseaux dont le pic de performance ce situe à 300, 750 ou encore 1000 nm, par exemple. Ainsi, pour observer l’infrarouge (ce que Star’Ex sait très bien faire), on choisira un réseau blasé à 750 nm ou 1000 nm.


Voici par exemple des observations du spectre infrarouge d’étoiles obtenues avec Star’Ex à une longueur d’onde plus grande que 1 micron, ce qui est vraiment exceptionnel dans le monde amateur. On utilise ici un réseau faiblement dispersif (300 t/mm), blasé à 1000 nm. La configuration optique de Star’Ex est modifiée pour l’occasion : l’objectif de 125 mm est remplacé par un objectif de 80 mm, en fait le même qui sert de collimateur (voir à la partie suivante).

Spectre infrarouge de l’étoile Véga réalisé  avec Star’Ex monté au foyer d’un petit télescope Newton 200 mm f/5. Le spectre montre la raie de l’hydrogène Pashen #8 à 10049 A, et surtout la raie Pashen #7 à 10938 A, ce qui est un probable record en astronomie amateur. Noter l’utilisation d’un réseau dont l’angle de blaze est optimisé pour 1 micron de longueur d’onde. La caméra est équipée d’un banal capteur CMOS (on est ici à l’extrême limite du domaine de sensibilité des détecteurs à technologie silicium).

Le spectre infrarouge de la nova Cas 2021. Toutes les raies de la série de Pashen sont en forte émission.

Pour l’observation dans l’infrarouge, un filtre d’ordre doit être ajouté à l’avant de Star’Ex, ici un filtre RG630 (SCHOTT).

Star’Ex peut parfaitement servir à observer des objets non stellaires dès lors que l’on adapter bien la dispersion spectrale. On peut même s’attaquer à des objets extragalactiques, comme dans l’exemple suivant, avec pour cible la galaxie Messier 51 observée avec une lunette de 85 mm de diamètre seulement et un réseau de 300 traits/mm (le « redshift » de la galaxie peu être mesuré !) :


Notez comment le noyau de M51 a été positionné sur la fente pour capter le maximum de lumière. L’exemple à suivre concerne encore un objet non stellaire, la nébuleuse Messier 42 (nébuleuse d’Orion) en utilisant le même équipement (lunette de 85 mm) :


On voit la « tranche » de nébuleuse analysée dans l’image de la caméra de guidage, à gauche. A droite, le spectre montre de nombreuses raies d’émission, très fines. La forme de ces raies change en fonction de l’élément chimique, ce qui est à l’origine de la couleur à cet objet vue dans les photographies. 


On peut ainsi être conduit à utiliser des réseaux faiblement dispersifs en sacrifiant la résolution spectrale dès lors que l’on vise des objets de faible éclat..Pour les applications solaires (Sol’Ex), le réseau de 2400 t/mm est privilégié (mais aussi utilisable sur les étoiles, on a pu le constater à la partie 3). Pour le solaire encore, un réseau de 1200 t/mm peut aussi être intéressant, en particulier pour réaliser des images du Soleil dans la région ultraviolette, au niveau des raies H etK du Ca II (par rapport à un réseau de 2400 traits/mm, plus forte luminosité, résolution spectrale suffisante, bonne qualité image).


Par expérience, et cette remarque est important, si vous débutez en spectrographie stellaire, il faut privilégier la haute résolution spectrale. Ce n’est pas immédiatement intuitif, mais il est nettement plus facile d’exploiter et d’étalonner un spectre haute résolution qu’un spectre basse résolution. Sur le plan astrophysique, vous aurez aussi plus immédiatement des résultats (les spectres « bougent » plus vites en haute résolution qu’en basse !). Donc, pour vos premières armes avec Star’Ex, visez un réseau de 2400 traits/mm et/ou de 1200 traits/mm. 


Partie 4.4 : la configuration « 80 mm / 80 mm »

L’objectif collimateur de Sol’Ex réalisé avec un verre spécial, est par ailleurs un objectif de caméra de très bonne performance, qui peut se substituer au classique 125 mm de la configuration standard. L’intérêt est un accroissement de la luminosité et de la correction chromatique, ce qui est particulièrement utile en spectrographie.

La combinaison optique « 80 mm + 80 mm », ici avec un réseau de 300 traits/mm, une couverture spectrale allant de 390 nm à 750 nm et un faisceau d’entrée à f/8. 

Une interface caméra spécifique doit être réalisée pour focaliser, typiquement sur une caméra refroidie ZWO ASI183MM. Cette interface est commune avec celle du « kit APN » décrit à la section « Construction », partie 4 (vous pouvez télécharger les STL).


Pour apprécier la performance de l’option « 80 mm / 80 mm » de Star’Ex, voici par exemple un spectre ultraviolet de l’étoile RS Oph (outburst) obtenu un télescope Newton de 200 mm à f/5 et un réseau de 2400 mm. La performance est telle qu’il est possible de détecteur une émission dans le coeur des raies H et K du Ca II :

Ci-dessous, avec la même configuration, le spectre ultraviolet de l’étoile Vega (temps de pose de seulement 28 secondes avec un Newton 200 mm f/5)  :

Nota :  en dessous de 3680 A, l’absorption des verres des objectififs devient trop sévère.


La partie bleue du spectre de l’étoile Deneb avec la configuration 80 mm / 80 mm et un réseau de 600 traits/mm (44 secondes pose) :

Ci-après , l’aspect du spectre solaire (lumière du jour) et de lampes à raies d’émission sous la forme d’images (dites 2D) réalisées avec la configuration « 80 mm / 80 mm)  :

De haut en bas, le spectre de la lumière du jour, le spectre de la lumière du jour à haut contraste (remarquer les raies H et K du Ca II à gauche et le spectre infrarouge à droite), le spectre d’une lampe néon, le spectre d’une lampe fluo-compact.

Partie 5 : le traitement des spectres

Le traitement des spectres consiste en des opérations classiques de retrait du signal thermique, de l’offset et de la division par le flat-field.  Viennent ensuite des taches propres à la spectrographie, comme les opérations de correction géométriques, d’extraction du profil spectral ou encore d’étalonnage en longueur d’onde et en flux relatif.


Ces opérations, relativement nombreuses, sont facilitées par des logiciels, comme VisualSpec ou encore ISIS. Avec ISIS, pour vous retrouver dans la documentation, considérez que les spectres Star’Ex sont fort équivalent à des spectres Lhires III lorsqu’on utilise le r »seau de 2400 traits/mm. Les opérations sont ici assez fortement automatisées.


L’autre possibilité est d’utiliser une application spécialement écrite pour le projet Star’Ex. Il est question du logiciel specINTI, qui fonctionne suivant la philosophie de INTI (voir section « Traitements »), avec un grande simplicité d’emploi et une automatisation poussée. Le traitement des spectres est ici une opération.quasi transparente.


Le logiciel specINTI est en cours de développement. Il est écrit en Python, mais tout comme INTI, il se présente comme un fichier exécutable (specinti.exe), qui ne demande aucune connaissance en programmation. Un exemple de sortie specINTI au stade actuel du développement :

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