UVEX : écrire une nouvelle page de l’astronomie

Par François Cochard

Nous sommes heureux de vous annoncer l’arrivée d’un nouvel instrument dans la gamme de Shelyak. Cet événement est important à plusieurs titres.

Il est le signe du dynamisme de la communauté astronomique, qui pousse toujours plus loin les limites de ses observations. C’est pour répondre aux attentes et suggestions des astronomes que nous l’avons conçu – il y a de la passion dans cet instrument !

A l’origine, UVEX a été conçu par Christian Buil, avec une équipe d’astronome amateurs dans le sud de la France – pour une fabrication en impression 3D (voir le projet : http://www.astrosurf.com/buil/UVEX_project/). La déclinaison que propose Shelyak aujourd’hui en est une version industrielle de haute qualité ; les deux approches sont très complémentaires.

UVEX, c’est d’abord un instrument qui ouvre de nouvelles possibilités sur le plan scientifique. Son achromatisme permet d’observer dans une large gamme de longueurs d’onde, allant de l’Ultra-Violet (UV, à partir de 350nm) jusqu’à l’Infra-Rouge (IR, à 1000nm) ; les caméras de dernière génération (avec des capteurs CMOS) permettent d’explorer ces nouveaux domaines qui dépassent les limites de l’œil humain. Si vous êtes familier des questions astrophysiques, vous savez qu’il y a beaucoup de science à faire dans l’UV (le domaine des hautes énergies et des évènements violents), comme dans l’IR (domaine de la chimie des étoiles et du milieu interstellaire).

Spectre de la lumière Solaire réalisé avec un réseau de 300 tr/mm et une caméra couleur (© Christian Buil)

C’est un instrument de nouvelle génération sur le plan technique, pour accompagner l’évolution de notre discipline. Cela se retrouve principalement sur trois points :

Une conception optique et mécanique sans concession pour une rigidité et une stabilité extrêmes. Tous les réglages (focalisation du spectre, angle réseau, fixation caméra, accès à la fente, changement du réseau) sont accessibles de l’extérieur de l’instrument. Les optiques sont réalisées sur mesure pour offrir la meilleure performance possible.
Un système prévu dès le départ pour une utilisation à distance. C’est une tendance de fond de l’astronomie, de plus en plus d’installations sont pilotées à distance ou en mode robotique. Cela requiert des réglages motorisés : un module optionnel sera bientôt disponible pour commander la focalisation et l’angle réseau depuis votre ordinateur.
UVEX tire le meilleur des nouveaux capteurs CMOS. Il offre une longueur utile (sans dégradation de qualité) d’image de 20 mm… il est loin le temps des KAF0400 qui faisaient 7mm !

Réglage de l’angle du réseau

Réglage de la focalisation

A qui cet instrument est-il destiné ?

UVEX est clairement destiné à des observateurs exigeants, pour qui la performance et la productivité sont clés.

De par sa compacité, il est destiné à des « petits instruments » – disons des télescopes jusqu’à 300 ou 400mm de diamètre. Il peut très bien être utilisé de manière opportuniste sur des télescopes plus gros (des observations ont été faites avec le télescope de 1m de C2PU à Calern) – mais ce sera nécessairement au détriment de la performance pure (par exemple, un gros télescope requiert d’utiliser une fente plus grande, ce qui réduit la résolution).

Spectroscope UVEX installé sur un télescope RC8

Sa polyvalence permet des applications scientifiques variées – avec plutôt une préférence pour les étoiles si votre télescope est très ouvert (la longueur utile de la fente est d’autant plus grande que le télescope est fermé – évitez les observations d’objets étendus avec un télescope à F/5 !).

On vante les mérites d’UVEX dans l’UV et dans l’IR, parce que c’est une spécificité de cet instrument, mais évidemment il est également parfaitement à l’aise dans le visible.

On nous pose souvent la question du positionnement relatif des différents instruments de la gamme Shelyak – lequel dois-je choisir pour mon usage et mon télescope ? Voici quelques éléments de réponse :

UVEX est clairement dans la gamme des « observateurs initiés » ; une gamme d’instruments performants et ambitieux.

Au sein de cette gamme, UVEX prend une place centrale : dès maintenant, c’est l’instrument principal de la gamme de par sa polyvalence : réseaux interchangeables, grand domaine spectral couvert, contrôle à distance…
Dans cette gamme, il est entouré de deux instruments spécialisés : Le Lhires III pour la très haute résolution (jusqu’à R = 18.000), et le LISA pour les cibles très faibles (voir l’article sur les NP au T1m). Si votre besoin n’est pas explicitement dans un de ces deux domaines – haute résolution ou haute sensibilité – alors considérez avant tout l’UVEX.

Exemple de 2 spectres réalisés avec un réseau de 600 tr/mm : à gauche dans le proche UV, à droite dans le proche IR. On peut voir à travers ces 2 spectres toute l’étendue possible de l’UVEX.

Un peu de technique

Les points saillants de l’UVEX sont la polyvalence et l’achromatisme.

L’achromatisme de l’UVEX vient de son architecture « Czerny Turner » (CZ-T) : il s’agit d’une solution éprouvée qui n’utilise que des miroirs pour le collimateur et l’objectif. Un instrument achromatique est un instrument dont la mise au point ne dépend pas de la longueur d’onde (ou de la couleur – chroma). Un miroir est par essence achromatique, alors qu’une lentille (ou tout ensemble de lentilles, tel qu’un objectif photo) est nécessairement entaché de chromatisme.

On a opté pour l’UVEX d’une architecture CZ-T « croisée », c’est à dire que les faisceaux entrant et sortant se croisent. Cela a peu d’effet sur le comportement optique, mais c’est ce qui permet un instrument particulièrement compact, et une organisation particulièrement adaptée à l’astronomie – parce que la caméra n’est pas en porte-à-faux au bout du télescope, mais est au contraire au plus près du tube.

Vue intérieure de l’instrument

Le spectroscope UVEX est achromatique… alors c’est derrière un télescope lui-même achromatique qu’il donnera sa pleine capacité. Dans le paysage actuel, il y a principalement trois architectures de télescope achromatiques : les télescopes de type Newton, Ritchey-Chrétien (RC) ou Cassegrain (pur Cassegrain, pas Schmidt-Cassegrain). Si vous en avez la possibilité, choisissez un de ces trois instruments – avec une préférence pour les RC, ouverts à F/8.

En effet, la question de l’ouverture est importante en spectroscopie. UVEX est conçu pour une ouverture maximale à F/5 – ce qui est le cas de la plupart des télescopes de Newton. Avec un télescope ouvert à F/5, vous ne perdrez aucun photon par vignettage. Mais comme un instrument CZ-T utilise des miroirs, cela impose de travailler « hors-axe » (le faisceau sortant ne peut pas être sur le même axe que le faisceau entrant). Et cela induit un astigmatisme sensible, dès que l’on s’éloigne de l’axe optique. La conséquence, c’est que l’instrument est excellent sur l’axe optique (c’est à dire si vous placez votre étoile au milieu de la fente), mais la qualité se dégrade en bord de fente, et cela d’autant plus que le télescope est ouvert.

Sur le plan pratique, ces considérations se traduisent ainsi :

Si vous utilisez un télescope très ouvert, évitez les objets étendus, et travaillez bien sur l’axe de l’instrument (étoile bien centrée sur la fente).
Si vous avez besoin d’utiliser une grande longueur de fente – pour étudier des objets étendus tels que des nébuleuses, des Nébuleuses Planétaires (NP), des galaxies – alors choisissez plutôt un télescope plus fermé ; F/8 est probablement le meilleur compromis.
C’est avec un télescope encore plus fermé (tel qu’un Cassegrain, à F/12 par exemple) que les spectres seront le plus homogène le long de la fente ; mais la contrepartie est alors une augmentation de la focale, qui agrandit la taille des étoiles au foyer.

La possibilité d’utiliser un large panel de télescopes et d’ouverture et la première illustration de la polyvalence de l’UVEX. Mais ce n’est pas tout !

UVEX est livré avec un réseau de 600t/mm, mais on dispose de plusieurs réseaux optionnels pour en changer la résolution et le domaine spectral couvert.
La possibilité de modifier facilement l’angle du réseau vous permet de sélectionner le domaine spectral observé, entre 350 et 1000 nm.

Diagramme des résolutions en fonction du réseau et de la longueur d’onde

L’UVEX n’inclut pas de module de guidage ni de module d’étalonnage, parce que ces modules existent déjà dans la gamme Shelyak : il s’agit des modules de guidage et d’étalonnage Alpy. Il est bien possible d’utiliser UVEX sans ces modules pour des expérimentation sur table, dans des domaines loin de la spectroscopie. C’est en pensant à de telles applications que nous avons rendue la fente facilement démontable : il est possible d’adapter un dispositif d’entrée facilement, voire une fibre optique (un connecteur est disponible en option).

Pour une utilisation en astronomie – sur un télescope – nous recommandons très fortement l’utilisation du module de guidage Alpy, pour bien voir l’étoile que vous observez. Nous recommandons également le module d’étalonnage Alpy, mais celui-ci est moins « nécessaire » que le guidage : avec ce module, l’étalonnage spectral se fait en quelques clics grâce à Demetra, mais il y a aussi d’autres moyens d’étalonner vos spectres – c’est principalement une question de facilité de mise en œuvre.

Pour terminer cette présentation, j’attire votre attention sur deux points techniques :

Pour compenser en grande partie l’astigmatisme naturel de l’instrument, nous avons ajouté une lentille cylindrique juste devant la caméra. Avec cette lentille, c’est le principal défaut de l’architecture CZ-T qui est gommé ! Cette lentille doit être focalisée pour avoir un spectre le plus net possible (tout est indiqué dans la documentation).
Permettre des observations de l’UV à l’IR est une aubaine, mais il y a tout de même une précaution à prendre : le réseau de diffraction possède plusieurs ordres de diffraction (avec UVEX, on travaille à l’ordre 1), et il y a un risque de recouvrement d’ordres. Par exemple, si vous travaillez à 800 nm, vous pouvez avoir une superposition du second ordre à 400 nm. Selon le type de source que vous observez, pensez à intégrer ce point. On propose en option un filtre d’ordre (qui coupe à 530 nm) et qui se monte derrière la fente de l’UVEX, mais si vous avez besoin de changer souvent (ou à distance) ce filtre, alors il vaut mieux prévoir de le monter dans un porte-filtre (voire même dans une roue à filtre motorisée) à l’avant de la fente.

Le logiciel Demetra pour vous accompagner

Le logiciel Demetra a été conçu pour vous accompagner durant toutes vos observations, de l’acquisition des spectres à la réduction des données. Avec le temps, ce logiciel est devenu une référence. Le but est clair : obtenir simplement des spectres de la plus grande qualité scientifique possible.

L’arrivée de l’UVEX s’accompagne d’une version dédiée à cet instrument de Demetra ; chaque spectroscope a évidemment ses spécificités. Si les concepts généraux restent les mêmes que pour un Alpy ou un LISA, vous verrez des nouveautés dans le processus de réduction des données : une étape « Correction CMOS » a été ajoutée, et l’étape d’étalonnage en longueur d’onde a été enrichie (pour prendre en compte la rotation du réseau).

Dans notre esprit, UVEX est intimement lié à Demetra pour un usage quotidien efficace. Mais vous restez évidemment totalement libre d’utiliser vos propres outils : ni UVEX ni Demetra ne vous enferment dans un format spécifique.

A vous de jouer !

Nous avons pris beaucoup de plaisir à concevoir l’UVEX. Nous vous présentons aujourd’hui un instrument dont nous sommes fiers, et nous sommes convaincus qu’il saura vous accompagner dans vos propres aventures. Alors nous vous « transmettons le flambeau », pour faire des observations inédites.

On compte sur vous pour nous dire quand vous faites des choses merveilleuses avec cet instrument : c’est à vous de jouer !