une introduction à l'interferometrie stellaire et à la synthèse d'ouverture

1. une introduction àl'interferometrie stellaire et à la synthèse d'ouverture Yves Rabbia astronome OCA dpt Fizeau Grasse rabbia@obs-azur.fr 04 93 40 53 59

2. Observatoire de la Côte d'Azur

3. introduction générale

4. exemple avec galaxie problème posé observation : un des buts = image detaillée de l'objet observé (vocabulaire : distribution spatio-angulaire de brillance apparence, "look") des limitations techniques nous obligent à restreindre notre ambition : image détaillée, image peu détaillée, aspect grossier, simple extension angulaire

5. imagerie conventionnelle la limitation résulte d'une insuffisance de résolution angulaire exemple particulier : le cas des étoiles même l'ambition la plus reduite n'est pas accessible l'imagerie conventionnelle est impuissante étoile "grosse" ou étoile "petite", l'image est réduite à un "point"(pixel) tous ces mots entre guillemets sont à revoir

6. résolution angulaire Résolution Angulaire : une question de finesse d'analyse la finesse de l'analyse dépend de l'instrument utilisé

7. pas beaucoup assez beaucoup pas mal vachement beaucoup carrement grave super hyper mega top Oh ! Catharineta bella Tchi Tchi vers résolution meilleure Travaux pratiques immédiats Testez la résolution angulairede votre propre système d'imagerie problème de Rapport Signal à Bruit et encore, ici, il y a un modèle a priori

8. A Rose by any other name would smell as sweet W. Shakespeare sans modèle a priori c'est plus difficile Travaux pratiques immédiats, suite Testez votre résolution angulaire, sans modèle "a priori" Le jabberwock l'œil flambloyant ruginiflant par le bois touffeté arrivait en barigoulant traduit de Lewis Carrol

9. meilleure résolution angulaire exemple d'amélioration de la résolution angulaire : la morphologie de la source commence à apparaitre par exemple ceci ou par exemple cela

10. morphologie ??? quelques exemples relatifs aux étoiles motifs photosphériques disque assombri disque uniforme binaires cocon symbiotiques disques et enveloppes miras

11. une réponse au problème ?? l'imagerie traditionnelle ne répond plus il faut trouver une autre façon de connaitre la physionomie ou au minimum de determiner des parametres de la distribution spatio-angulaire cette methode est appelée synthese d'ouverture elle se fonde sur l'interferometrie des mots spéciques qu'on va ( un peu) expliciter

12. des mots spécifiques synthèse: reconstituer à partir d'éléments séparés exemple en musique "synthétiseur" étymologie : du grec "synthesis" : réunion, composition ouverture : attention, mot courant mais ici sens technique surface collectrice d'un instrument d'optique interferométrie : interferences/ mesuremesurer qq chose à partir d'interférencesici nous parlons d' interferometrie stellaire : mesurer qq chose sur une etoile à partir d'interferences de la lumiere qu'elle nous envoieà ce stade il nous faut rappeler qqs notions

13. quelques rappels académiquesrelatifs à notre sujetlumièreetoptique

14. 16eme siècle : le modèle géométrique, les rayons lumineux Descartes, Fermat, Huyghens, (mais corpuscules aussi : Newton) 19eme siècle : le modèle ondulatoire, lumière = onde Fresnel,Young, Arago, Airy, Maxwell….. 20eme siècle : le modèle corpusculaire, les photons Planck, Einstein, de Broglie 20eme siècle : quantons , electrodynamique quantique plus de dualité mais des êtres nouveauxni onde,ni corpuscule La Lumière ! des modèles successifs pour mémoire : dans l'antiquité pouvoir de l'oeil à aller palper l'objet observé (inopérant, contradictions) puis notion de projectile issu de l'objet, contradictions encore grosses difficultés pour concilier ces deux derniers modèles on a parlé de la dualité onde-corpuscule (deBroglie)

15. les rayons : modèle empirique, pas de concept physique en soutien propagation rectiligne en milieu homogène, retour inverse, reflection, refraction,( dispersion) optique géométrique (lentilles) ==> localisation et forme des images modèle ondulatoire : concept de champ électromagnétique dispersion, diffraction, interférences, surface d'onde, formation des images, couleurs, cohérence, polarisation modèle corpusculaire : le photon, particule quantique émission, absorption, interaction matière lumière milieu traversé source récepteur émission propagation absorption photons ondes photons La Lumière, quel modèle choisir ? pour nous : ça dépend de ce qu'on veut décrire en bref :

16. quelques brefs rappels d'optique vocabulaire et dessins sources, faisceaux, sources à l'infini, diamètre apparent réflexion, refraction, diffusion front d'ondes et rayons lentilles, foyers, focales montages : afocal, lunette, telescope diffraction puis plus tard peut-être : interférences

17. trou source trou source génération de faisceaux

18. a a' S' axe principal S axe principal a1 a2 rayon marginal a2 S2 axe principal a1 S1 évolution avec l'éloignement de la source : l'angle du cone tends vers zero a2 < a1 faisceaux : divergent , convergent , parallèle

19. fronts d'onde et rayons avec le modèle ondulatoire l'energie lumineuse n'est pas transportée le long d'un rayon mais plutôt par une série de vagues (sinusoides) leurs crètes forment le front d'onde on conserve la notion de rayons ils sont localement perpendiculaires au front d'onde (théorème de Malus)

20. a2 S2 a1 S1 a2 < a1 passage à la limite : S2 s'éloigne à l'infini l'angle du cone tend vers zero le cone devient cylindre faisceaux et source ponctuelle à l'infini pas de mystère : courbure du front d'energie réduite avec l'eloignement

21. diametre angulaire source étendue à l'infini et diamètre angulaire

22. a = diamètre angulaire oeil a L A a observateur oeil L/M= tg a ==> a M diametre angulaire diamètre angulaire ( on dit aussi diamètre apparent) illustration célèbre

23. i ' i incident réfléchi r n réfracté reflexion diffusion refraction, reflexion, diffusion refraction attention : diffusion colorée, on verra plus tard

24. diffusion la nuit, on éclaire la route avec les phares de la voiture, on voit mieux la route par temps sec que par temps de pluie pourquoi ? Quand la route est sèche elle diffuse (elle renvoie de l'energie dans toutes les directions) et donc vers le conducteur quand elle est mouillée, la route fait miroir, elle ne diffuse plus, la majeure partie de la lumière reçue subit une reflexion speculaire il y en a moins pour le conducteur la diffusion est aussi la cause de la couleur bleue du ciel (diffusion moléculaire)

25. i ' i incident réfléchi r n un aspect intéressant : réfracté la déviation augmente avec l'angle du prisme qui en amène un autre pour redécouvrir les lentilles foyer des mots nouveaux ou simplement oubliés reflexion, réfraction (fracture) Lois de Snell-Descartes rayons dans le même plan i = i ' sin i = n. sin r n = indice de réfraction, lié au milieu

26. foyer axe principal faisceau de rayons parallèles objet distance focale p p' image objet d d' image comment ça marche une lentille ?…. et les mots pour le dire parmi les rayons issus de l'objet (source) certains, remarquables, suffisent à construire l'image en résumé, formules : 1/p +1/p' = 1/F g = d'/d = grandissement

27. image (petite) au foyer oculaire : du coté de l'oeil une loupe pour mieux voir la petite image objectif : du coté de l'objet lunette astronomique montage fréquent : systeme afocal objet à l'infini image f1 f2 à l'infini montage afocal ( sans foyer) "de la lentille à la lunette"

28. comment ça marche un telescope ? focale equivalente oeil ou camera ici montage en "afocal"

29. oeil objectif lunette lunette oculaire oeil lunette astronomique : une association de lentilles

30. système S' S optique image objet diffraction pour l'optique géométrique (stigmatique) l'image d'un point est un point l'experience montre que ce n'est pas le cas la cause en est le comportement ondulatoire de la lumière et la diffraction latin : diffractare / éparpiller

31. tache d'Airy Airy, astronome royal anglais 19eme siecle on n'observe pas un point mais une tache lumineuse : tache d'Airy largeur angulaire du pic central : proportionnelle à la longueur d'onde l inversement proportionnelle au diamètre du telescope D largeur angulaire : a  l / D

32. ce que nous fournit la diffraction_1 tache focale profil de la fonction d'étalement normée à 1 profil de la distribution d'energie dans la tache focale 20 1 15 0.75 a = l / D 10 0.5 5 0.25 0 0 extension angulaire

33. retour au sujet :interférométrie et synthèse d'ouverture on parlait de déficit en résolution angulaire, bon et alors ?? ,

34. pourquoi la limitation en résolution angulaire ?? parce que ! la diffraction et aussi la turbulence atmosphérique

35. exemple d'action de la turbulence : "speckles" c'est un effet de front d'onde cabossé et qui change 200 ou 1000 fois par seconde mais c'est pas pour aujourd'hui. Alors, désormais nous supposons que nous sommes dans l'Espace

36. report vers le ciel de l'image obtenue pour une source ponctuelle on dit aussi : fonction d'étalement ou encore Point Spread Function (PSF) rappel : finesse  longueur d'onde / Diametre ciel foyer l / D télescope résultat de l'exploration ciel à explorer illustration au niveau du vécu lobe d'analyse finesse d'analyse d'une image , lobe d'analyse

37. astronome ( cahier des charges scientifique) atteindre une échelle de détail suffisamment fine pour permettre une exploitation scientifique on doit aller chercher la milliarcseconde : 5 10 - 9 radian distinguer un basketteur sur le limbe lunaire ou un petit pois vu à 1000 km ingenieur ( cahier des charges technique) fabriquer l'instrument qui va bien : augmenter la finesse du lobe d'analyse pb : limite imposée par la diffraction mais quelle résolution angulaire ?? deux points de vue à synthetiser

38. en théorie : augmenter le diamètre => lobe plus fin, MAIS... je veux la milliarcsec ! DIFFRACTION en visible il faut compter en km pour D du calme ! et ce n'est pas tout ! il y a l'atmosphère !!! celestron 8 : 1 Arcsec Palomar : 1 Arcsec au lieu de 0.02 Arcsec D petit ou D grand , pareil lobe pourri pas tout à fait pareil tout de même affiner le lobe

39. une remarque féconde pour la résolution angulaire ce sont surtout les bords du miroir qui gouvernent la finesse du lobe oui mais à la dimension requise on ne sait pas plus faire des miroirs de forme couronne que des grands miroirs ! so what ??

40. une ruse (mais elle n'est pas gratuite) et si on ne prend pas une couronne mais seulement deux morceaux très séparés ? on garde la finesse liée au grand miroir mais elle est incluse dans une sorte de peigne

41. questions immédiates en pratique, on fait comment ?? d'où sort ce peigne ?? comment en sortir des infos sur la distribution de brillance ??

42. do it yourself ! en pratique, on fait comment ? une façon de la mettre en pratique l'idée à exploiter le point de départ D montage Fizeau diamètre D l/D l/D

43. l/D l/B l/d l/d mais pour plus de finesse on doit écarter davantage, alors comment ? B d D montage Michelson en toute rigueur c'est pas tout à fait ça mais l'idée est là

44. l/B l/D mais comment éviter le problème des grands miroirs ? par exemple diamètre 100m, voire 1 km B on utilise des télescopes séparés séparation B, la finesse est alors l/B au lieu de l / D gain (théorique) en finesse B/D D

45. exemples concrets GI2T, OCA, Calern, France 2*1.50m base max 100 m ?? VLT & VLTI European Southern Observatory, Chili 4*8m, base max 200 m 3*1.80, base max xx m ??

46. le peigne = franges d'interférences franges d'interférences lumineuses = répartition sinusoidale d'energie detectée très schematiquement energie detectée = | onde |2 quand deux ondes arrivent en même temps sur le detecteur : energie detectée = | onde1 + onde2 |2 = terme d'energie + terme d'interférences un peu de maths ?? Intensité 4 2 f mais d'où sort le peigne ??

47. multiplication des ondess 4 2 addition des ondes 4 0 2 addition des ondes 2 4 4 0 4 2 8 6 4 2 0 2 4 6 8 t 2 2 n temps 0 0 4 8 6 4 2 0 2 4 6 8 2 t n temps 2 4 8 6 4 2 0 2 4 6 8 t 4 n 8 6 4 2 0 2 4 6 8 temps t n temps addition d'ondes et energie : décalage progressif l'amplitude de la courbe rouge rend compte de l'energie disponible par addition des deux ondes puis module au carré pas de décalage décalage de p une demi-période avec des ondes lumineuses : selon le décalage le mélange des ondes donne de la lumière (energie) ou de l'ombre (pas d'energie)

48. bouchon avec mouvement bouchon sans mouvement diffraction et addition d'ondes

49. diffraction (éparpillement) à chaque ouverture pas de decalage decalage p(demi-periode) pas de decalage le peigne (franges) resulte de l'addition des ondes arrivant sur la cible de la caméra par rapport au cas précedent la lentille ne fait que guider et réduire l'éparpillement

50. telescope et maintenant comment avoir des infos sur la distribution d'intensité de la source ?? on sonde la source avec un lobe à la fois large et étroit !! angoisse ??