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TimeBox : maîtriser le temps pour dater précisément les occultations

Par César VALENCIA-GALLARDO, février 2020

La datation des occultations astronomiques et d’autres phénomènes astronomiques doivent être effectués à une échelle de temps absolue avec une précision de l’ordre de quelques millisecondes afin d’extraire et de comparer les enregistrements effectués par différents observateurs dans le monde entier. L’échelle de temps choisie est le temps universel coordonné (UTC) qui est la principale norme de temps régulant les horloges et le temps (Mccarthy et al. 2009). L’occultation stellaire est une méthode éprouvée utilisée pour déterminer la taille, la forme et la position des astéroïdes, ainsi que la topologie et l’orbite des satellites (Trahan et al. 2014) ; les occultations stellaires sont aussi utilisées pour améliorer l’astrométrie de la position des étoiles, pour produire des éphémérides précises de TNOs (Assafin et al. 2012), pour fournir des informations sur la pression atmosphérique des TNO et des planètes (Dias-Oliveira et al. 2015), et récemment, pour découvrir la présence d’anneaux sur des planètes mineures du système solaire externe (Braga-Ribas et al. 2014).

Ouvrir les occultations au monde numérique

Avant l’arrivée de la TimeBox sur le marché, scientifiques et amateurs utilisaient un système de chronométrage qui écrivait l’heure UTC dans chaque image d’un enregistrement vidéo analogique (par exemple avec des des caméras Watec  et l’incrustateur vidéo IOTA-VTI). Ce système a été validé par la communauté internationale des occultations (IOTA) pendant des années et utilisé par des centaines d’observateurs pendant plus de dix ans.

Pourtant de nos jours, presque tous les caméras actuelles sont numériques, y compris celles qui possèdent les capteurs d’image CCD, EMCCD et CMOS les plus sensibles et à faible bruit. Les capteurs d’image CMOS de dernière génération possèdent une sensibilité et des niveaux de bruit comparables à ceux des meilleurs capteurs CCD, sans ses inconvénients majeurs (faible cadence d’image et coût de production élevé). L’évolution des capacités des capteurs d’image CMOS remplacera probablement les capteurs CCD, favorisant ainsi le développement de caméras  numériques très sensibles/à faible bruit dans un proche avenir.

Parce que les systèmes analogiques sont de moins en moins utilisés de nos jours, ils ne peuvent plus offrir les capteurs de caméra les plus avancés.

Jusqu’à présent, aucune solution précise et portative n’a été proposée pour la synchronisation UTC à l’aide de caméras numériques. La TimeBox est là pour combler cette lacune. Cela ouvre une nouvelle ère pour les observations d’occultations, en utilisant une technologie à jour!

Comment fonctionne la TimeBox ?

La TimeBox est un dispositif conçu pour synchroniser l’horloge d’un PC ou d’un serveur et les enregistrements vidéo numériques avec le Temps Universel Coordonné (UTC). La TimeBox a été principalement conçue pour le chronométrage précis des phénomènes astronomiques, mais elle peut être utilisée pour d’autres applications qui nécessitent un chronométrage précis avec une référence de temps absolue (UTC).

La TimeBox a été validée et est couramment utilisée au Laboratoire d’Études Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique (LESIA) de l’Observatoire de Paris. La Timebox a également été testée et validée par un groupe d’experts de l’International Occultation Timing Association (IOTA), une organisation scientifique et de recherche bénévole recueillant des données sur les temps d’occultations astronomiques. La TimeBox est utilisée par les observatoires professionnels, les clubs d’astronomie et les observateurs en Europe.

La TimeBox récupère le temps UTC des satellites GPS et synchronise vos mesures/PC selon 3 modes différents ; ces modes sont contrôlés par une interface graphique fournie par le logiciel TimeBox :

1. LED firing (<10μSec UTC). Ce mode utilise la LED de la  TimeBox pour insérer l’heure UTC sur n’importe quel enregistrement vidéo. Ce mode permet d’insérer le temps UTC directement dans le flux vidéo en allumant une LED à chaque seconde UTC. Il est possible de désactiver le tir de la 59ème seconde de chaque minute pour faciliter l’extraction et l’analyse des données.

2. Computer Synchronization (±2mSec UTC). Ce mode permet la synchronisation de l’horloge interne du PC sur les systèmes Windows avec l’heure UTC. Le mode TimeBox Computer Synchronization permet de synchroniser avec précision tous les phénomènes astronomiques en datant les images acquises avec le temps PC synchronisé UTC. Le mode de synchronisation de l’ordinateur par la TimeBox est précis ( ± 2 millisecondes UTC) car le délai d’attente et de transmission avec le port série entre le TimeBox et l’ordinateur est estimé et corrigé par un algorithme inclus dans le logiciel TimeBox. De plus, le mode Computer Synchronization de la TimeBox peut être utilisé pour mesurer la dérive du temps PC par rapport au temps UTC en créant un journal contenant le temps PC et le temps UTC reçu. Le mode Computer Synchronization de la TimeBox peut fonctionner soit en un clic (une fois) de synchronisation de l’horloge du PC ou en synchronisant en continu votre horloge du PC.

3. Trigger (<1msec UTC ). Utilisez la TimeBox pour déclencher les images calées sur le temps universel (UTC) sur les caméras qui disposent d’un déclenchement (Trigger) externe. En utilisant ce mode, la TimeBox est capable de déclencher la caméra directement en émettant une série d’impulsions logiques calées sur l’UTC (3v/6v/9v) via un port BNC à différentes fréquences (0,1-1 Hz et 2-24 Hz). Dans ce mode, la TimeBox est également capable de synchroniser l’horloge interne du PC pour faciliter la réduction des données et produit un journal contenant la liste et le temps UTC précis de chaque impulsion.

Que faut-il faire pour effectuer une occultation correcte ?

Une occultation en astronomie est un événement qui se produit lorsqu’un objet (étoile, planète, satellite ou autre) est totalement ou partiellement caché par un autre objet (astéroïde, TNO, satellite ou autre) qui passe entre lui et l’observateur.

Une occultation stellaire ou tout type d’enregistrement photométrique astronomique précis nécessite ces éléments fondamentaux :

  • L’heure prévue de l’événement d’occultation à votre emplacement.
  • Un télescope adapté.
  • Un enregistreur; une caméra numérique pour enregistrer la photométrie au fil du temps.
  • Une Timebox (timebase) pour horodater précisément l’enregistrement avec l’heure UTC.

Basées sur des catalogues astronomiques accessibles au public (GAIA, Hipparcos, entre autres) et des logiciels (Occult, Occult Watcher entre autres), des prédictions d’occultations précises pour une heure et un emplacement prédits peuvent être produites. De plus, un certain nombre de sites Internet produisent périodiquement des prévisions pour une grande variété d’endroits (http://www.asteroidoccultation.com, http://www.poyntsource.com/New/Global.htm, entre autres).

Il peut arriver qu’une occultation ne soit pas détectée alors qu’elle était prévue. Une observation négative ou une « miss » pourrait être attribuée à des données erronées sur l’orbite de l’étoile ou de l’astéroïde. Les données négatives sont toujours utiles, puisque ces « miss » décrivent les limites de l’ombre de l’astéroïde ou de l’objet occultant. Il y a une note de prédiction qui réécrit la probabilité des occultations; c’est une chose à prendre en compte lorsque vous planifiez vos observations.

Votre télescope doit pointer avec précision vers l’objet astronomique occulté qui vous intéresse et le suivre sur une période de temps. Le télescope doit être équipé d’une caméra numérique. Comme mentionné ci-dessus, l’enregistrement doit être fait à l’aide d’une TimeBox (timebase) afin de horodater précisément les images en utilisant l’une des trois méthodes de synchronisation décrites ci-dessus.

Il est important de déterminer la chute photométrique de magnitude annoncée dans le rapport de prévision, car votre système d’enregistreur doit être suffisamment sensible pour enregistrer cette chute de magnitude avec une fréquence suffisante pour fournir des données utiles sur les occultations. Pour plus d’informations sur les occultations, les prédictions et le matériel éducatif, vous pouvez consulter le site Web de l’IOTA : https://occultations.org.

Quelques résultats obtenus avec la TimeBox

 

Occultation par un astéroïde : Elektra (130) occulte l’étoile TYC 0408-00029-1 réalisé par Peter TICKNER le  21/04/2018 avec une TimeBox en mode Computer synchronization.

Phénomènes mutuels (PHEMU) des satellites Galiléens de Jupiter : Europe éclipse Io réalisé par Cesar VALENCIA GALLARDO le 04/02/2015 avec une TimeBox en mode Trigger.

Références et liens utiles