L`Advanced Technology Solar Telescope

L’Advanced Technology Solar Telescope
Fr´ed´eric Paletou1
Observatoire de la Cˆote d’Azur
D´epartement G.D. Cassini
06304 Nice C´edex 4
[email protected]
Le projet ATST (atst.nso.edu) est men´e par le National Solar Observatory am´ericain
au sein d’un consortium regroupant maintenant 22 institutions nord-am´ericaines (dont
HAO/NCAR, l’IfA/Hawaii, le CfA/Harvard, la NASA, etc...). C’est le seul projet de
“tr`es grand t´elescope” solaire pr´evu pour la d´ecennie `a venir ; les op´erations scientifiques
devraient en effet commencer avant 2012. En r´eponse `a une sollicitation am´ericaine, une
initiative europ´eenne se pr´epare afin que nos communaut´es puissent se joindre `a ce qui
constituerait alors l’un des grands projets internationaux de l’astronomie.
1 Sp´ecifications g´en´erales
L’ATST va permettre d’effectuer un saut significatif en terme d’ouverture pour un t´elescope
solaire ; en effet, alors que la classe des “1 m” d´emarre `a peine son exploitation scientifique
(TH´ EMIS et la NSST su´edoise, puis 1.5 m avec GREGOR vers 2005), l’ATST aura une
ouverture de 4 m. Ceci a deux objectifs principaux :
•la haute r´esolution angulaire (HRA) avec un objectif d’une r´esolution angu-
laire meilleure que 0.1 arcsec dans le domaine visible ; ceci repose aussi sur le bon
d´eveloppement de l’optique adaptative (O.A.) domaine dans lequel NSO a d´ej`a une
bonne exp´erience avec la Dunn Solar Tower (DST) `a Sac Peak ;
•la collection massive de photons : pour atteindre la sensibilit´e polarim´etrique
demand´ee par les programmes de magn´etom´etrie vecteur `a haute r´esolution angu-
laire, mais aussi pour satisfaire les programmes demandant de la tr`es haute sen-
sibilit´e polarim´etrique `a r´esolution angulaire mod´er´ee voire faible (e.g., le second
spectre solaire et l’´etude du magn´etisme solaire faible, en g´en´eral). Le gain en
cadence temporelle sera aussi significatif, et tr`es prometteur pour les ´etudes de la
dynamique atmosph´erique `a grande ´echelle.
Le miroir primaire sera sans obstruction centrale (soit une PSF “propre”) et super-poli
pour permettre ´egalement des observations coronales (protub´erances et “couronne chaude”)
de bonne qualit´e ; le collecteur principal sera hors d’axe pour des questions de thermique,
de contrˆole de la lumi`ere diffus´ee et d’encombrement, support´e par une monture alt-
azimutale. N´eanmoins, ce type de dispositif, faiblement polarisant, sera rigoureusement
calibr´e dans la mesure o`u la qualit´e polarim´etrique des donn´ees constitue aussi l’un des
objectifs prioritaires de l’ATST, au mˆeme titre que la HRA solaire.
1en collaboration avec : Guillaume Aulanier, Arturo L´opez Ariste, Guillaume Molodij et Thierry
Roudier
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Le contrˆole de la lumi`ere diffus´ee est une pr´eoccupation majeure dans le cadre du
d´eveloppement technique de l’ATST ; cela va plus loin que la qualit´e des optiques (e.g.,
polissage et rugosit´e), et pose aussi les probl`emes des proc´edures de nettoyage, de “r´ealu-
minure” (terme probablement impropre car d’autres traitements de surface sont envisag´es
avec un pouvoir de r´eflexion optimal dans une bande spectrale tr`es large), ainsi que de
choix du site.
L’ATST sera aussi un t´elescope ouvert ; ceci doit permettre une couverture spec-
trale tr`es large de 0.3 `a 35 microns. La grande originalit´e de ce concept sera sans
doute l’ouverture vers l’IR thermique, au del`a de 5 µm. ` A ces longueurs d’ondes, la sen-
sibilit´e des raies spectrales au champ magn´etique est tr`es importante2, et les hauteurs
de formation permettent des diagnostics de l’atmosph`ere et du magn´etisme parfaitement
compl´ementaires `a ceux permis par les observations dans le visible et dans l’IR proche.
Dans toute cette bande spectrale la polarim´etrie `a haute pr´ecision sera om-
nipr´esente. Ainsi plusieurs polarim`etres sont d´ej`a envisag´es ou `a l’´etude :
•pour le visible, avec une extension possible `a l’IR proche, un polarim`etre du type
DLSP (NSO/HAO i.e., l’´evolution de l’ASP associ´e `a l’O.A. de la DST) dont le PI
est Steve Tomczyk (HAO) ;
•pour l’IR proche, un polarim`etre `a cristaux liquides vraisemblablement (PI : Haosheng
Lin, IfA/Hawaii) ;
•pour l’IR thermique, un instrument sp´ecifique sera aussi d´evelopp´e (PI : Don Jen-
nings, NASA/NSO-KP) ;
•pour l’UV, il pourrait ˆetre question d’un polarim`etre de type ZIMPOL (Z¨urich IMag-
ing POLarimeter) soit un modulateur tr`es rapide associ´e `a un d´etecteur sp´ecifique
(cf. Gandorfer & Povel 1997).
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A l’image de TH´ EMIS, la spectropolarim´etrie multiraie est aussi un objectif important
de l’instrument. Le polarim`etre visible (+ IR proche) doit ˆetre capable d’observer simul-
tan´ement entre 3 et 5 domaines spectraux ; pour comparaison, TH ´ EMIS est capable
d’observer jusqu’`a 10 domaines spectraux simultan´ement. Il n’est toutefois pas encore
clair si l’utilisation simultan´ee de plusieurs polarim`etres dans des domaines spectraux tr`es
diff´erents sera ou non possible. Se posent alors le probl`eme technique d’utiliser deux
polarim`etres distincts, en parall`ele, avec leurs d´etecteurs sp´ecifiques, ou bien encore le
probl`eme de l’achromatisme de l’analyse.
L’imagerie grand champ est aussi envisag´ee avec l’ATST ; en effet, les sp´ecifications ini-
tiales de l’instrument pr´evoient un champ spatial de 5 arcmin. Cela sera tr`es int´eressant
pour l’´etude de la dynamique atmosph´erique `a grand ´echelle (e.g., granulation, ´evolution
des r´egions actives et ´eruptions).
Le site n’est pas encore choisi ; cependant `a l’issue de la derni`ere r´eunion de Tucson
(Oct. 2002) il a ´et´e demand´e que le nombre de candidats soit rapidement limit´e `a deux
ou trois (maxi.), d’ici `a l’automne 2003. Il est important de prendre en compte le fait
qu’`a part cinq sites nord-am´ericains (quatre aux USA, un au Mexique), le site europ´een
du Roque de los Muchachos `a La Palma (Iles Canaries) est tr`es s´erieusement consid´er´e ;
l’IAC a d´ej`a mis en œuvre une ´etude de site sur place (PI : Manolo Collados).
2sur la raie de Mg i`a 12 µm l’´elargissement Zeeman est compl`etement r´esolu sous l’action d’un champ
magn´etique de quelques centaines de Gauss
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2 Nos atouts et nos comp´etences
L’implication de la communaut´e fran¸caise dans le cadre du projet ATST et de son ex-
ploitation scientifique future peut tout aussi bien se manifester `a travers des programmes
d’observations, du traitement et de l’exploitation scientifique des donn´ees, ainsi que de
l’instrumentation et de la technologie.
2.1 Programmes scientifiques
En ce qui concerne les programmes scientifiques, notre communaut´e est d´ej`a pr´esente sur
les th`emes suivants :
•l’imagerie `a haute r´esolution angulaire et l’´etude des mouvements de plasma associ´es
aux concentrations magn´etiques `a petite ´echelle (OMP) ;
•la dynamique des r´egions actives et l’´etude des ´eruptions via les signaux de polari-
sation par impact (LESIA) ;
•le diagnostic du magn´etisme solaire `a partir de mesures spectropolarim´etriques `a
haute sensibilit´e ; il s’agit en particulier de la polarisation de r´esonance et de l’effet
Hanle, ainsi que du prometteur diagnostic `a partir de la structure hyperfine de
certaines raies spectrales (e.g., Bommier & Molodij 2002, Trujillo Bueno et al. 2001,
L´opez Ariste et al. 2002) ;
•la mesure du champ magn´etique dans les protub´erances solaires ; c’est un domaine en
plein renouveau, notamment grˆace aux r´ecentes mesures faites `a TH ´ EMIS (Paletou
et al. 2001, Paletou & Aulanier 2003).
La mesure directe du champ magn´etique coronal constitue l’un des domaines les plus
prometteurs faisant partie des nombreux objectifs scientifiques de l’ATST. ` A terme nous
envisageons ´egalement d’´etudier ainsi l’environnement imm´ediat des protub´erances, ou
encore la topologie du champ magn´etique au dessus de r´egions actives (e.g., Lin et al.
2000).
De fa¸con plus g´en´erale, quelque soit l’´evolution de TH´ EMIS dans les ann´ees `a venir,
le principe de tube ´evacuable ferm´e par des lames de verre limitera la bande spectrale
permise aux observations ; ainsi, envisager d’acc´eder `a l’infra-rouge au del`a de 2 µm passe
n´ecessairement par l’utilisation d’un autre instrument.
2.2 Traitement et exploitation des donn´ees
En ce qui concerne l’exploitation des donn´ees d’observation, on peut citer les trois th`emes
suivants :
•les techniques speckle et de d´econvolution d’images originaires d’optique adaptative
(UNSA, Nice) ;
•l’inversion de donn´ees spectropolarim´etriques ; A. L´opez Ariste (LESIA) a une ex-
pertise reconnue dans le domaine de l’inversion de donn´ee `a base de la m´ethode PCA
(Principal Component Analysis ; cf. L´opez Ariste et al. 2001) ;
•l’extrapolation du champ magn´etique `a partir de mesures photosph´eriques (cf. la
base “FROMAGE” au LESIA @ http://www.solaire.obspm.fr/fromage/) ;
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qui constituent des savoir-faire d´ej`a acquis ne demandant qu’`a ˆetre confront´es `a un flux
important de nouvelles donn´ees de qualit´e.
Du point de vue du diagnostic et de la mod´elisation, notre communaut´e est ´egalement
bien pr´esente sur la sc`ene internationale, aussi bien dans le domaine de la MHD (LESIA,
IAS, OCA) que du transfert de rayonnement, polaris´e ou non (OP, IAS, OCA, UNSA
et OMP) ; il faut aussi mentionner la contribution du LERMA en physique atomique
appliqu´ee `a l’astrophysique (e.g., collisions).
Enfin, les exp´eriences de MEDOC et de BASS 2000 pourraient ˆetre valoris´ees dans le
cadre d’une collaboration formelle avec le consortium am´ericain promoteur de l’ATST.
2.3 Instrumentation et technologie
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A l’heure actuelle des contacts sont ´etablis avec quatre industriels au sujet de l’´etude de
faisabilit´e du polissage et du contrˆole thermique du miroir primaire hors d’axe ; compte-
tenu de son exp´erience dans la confection de grandes optiques pour l’astronomie (en par-
ticulier, la fabrication du primaire de 1 m super-poli de TH´ EMIS) SAGEM-REOSC fait
partie de ceux-ci.
Dans le domaine de l’optique adaptative, une solution originale a ´et´e r´ecemment pro-
pos´ee pour le cas solaire, dans le visible (Molodij et al. 2002) ; il est en particulier
mentionn´e la possibilit´e de pouvoir corriger le front d’onde `a partir d’images autres que
celles de la granulation (e.g., la p´enombre d’une tache).
Compte-tenu de la couverture spectrale disponible, il est a priori envisageable de faire
valoir l’exp´erience dans les optiques d’analyse dites superachromatiques d´evelopp´ees `a
l’Observatoire de Paris (polarim`etre “Semel” au DASOP puis maintenant au LESIA) et
`a l’Observatoire Midi-Pyr´en´ees (avec ESPaDOnS pour le CFHT puis NARVAL pour le
TBL) pour la spectropolarim´etrie solaire et stellaire.
Enfin, le projet CALAS (PI : Nad`ege Meunier) d’imagerie grand champ `a la coupole
tourelle du Pic du Midi devrait aboutir vers 2005 ; ce projet fait appel `a un d´etecteur de
grandes dimensions utilisant la technologie CMOS dont le principal avantage par rapport
aux CCDs r´eside dans la rapidit´e de lecture. L’exp´erience de l’´equipe de l’OMP/Tarbes
qui sera acquise lors de la mise en œuvre de cette technologie pourrait donc ˆetre utilis´ee
dans le cadre d’une participation au d´eveloppement de l’ATST.
Bibliographie
[1] Bommier V., Molodij G., 2002, A&A 381, 241
[2] Gandorfer A.M., Povel H.P., 1997, A&A 328, 381
[3] Jennings D.E., Deming D., McCabe G., Sada P.V., Moran T., 2002, ApJ 568, 1043
[4] Lin H., Penn M.J., Tomczyk S., 2000, ApJ 541, L83
[5] L´opez Ariste A., Tomczyk S., Casini R., 2002, ApJ 580, 519
[6] L´opez Ariste A., Rees D.E., Socas-Navarro H., Lites B.W., 2001, SPIE 4477, 96
[7] Molodij G., Roddier F., Kupke R., Mickey D. L., 2002, Solar Phys. 206, 189
[8] Paletou F., Aulanier G., 2003, in Current theoretical models and future high resolution
solar observations: preparing for ATST, ASP Conf. Ser. 286, 45
[9] Paletou F., L´opez Ariste A., Bommier V., Semel M., 2001, A&A 375, L39
4

[10] Trujillo Bueno J., Collados M., Paletou F., Molodij G., 2001, in Advanced Solar
Polarimetry - Theory, Observation, and Instrumentation, M. Sigwarth (Ed.), ASP Conf.
Series 236, 151
3 Liste de soutien au projet
Aime, Claude Universit´e de Nice – Sophia Antipolis
Amari, Tahar Ecole Polytechnique, CPhT
Arnaud, Jean Observatoire Midi-Pyr´en´ees
Aulanier, Guillaume Observatoire de Paris
Baudin, Fr´ed´eric Institut d’Astrophysique Spatiale
Bocchialini, Karine Institut d’Astrophysique Spatiale
Bommier, V´eronique Observatoire de Paris
Chambe, Gilbert Observatoire de Paris
Corbard, Thierry Observatoire de la Cˆote d’Azur (F´evrier 2003)
D´emoulin, Pascal Observatoire de Paris
Donati, Jean-Fran¸cois Observatoire Midi-Pyr´en´ees
Faurobert, Marianne Universit´e de Nice – Sophia Antipolis
Feautrier, Nicole Observatoire de Paris
Frisch, H´el`ene Observatoire de la Cˆote d’Azur
Grec, G´erard Observatoire de la Cˆote d’Azur
Koutchmy, Serge Institut d’Astrophysique de Paris
Leroy, Jean-Louis Observatoire Midi-Pyr´en´ees
L´opez Ariste, Arturo Observatoire de Paris
Malherbe, Jean-Marie Observatoire de Paris
Mein, Pierre Observatoire de Paris
Meunier, Nad`ege Observatoire Midi-Pyr´en´ees
Molodij, Guillaume Observatoire de Paris
Mouradian, Zadig Observatoire de Paris
Muller, Richard Observatoire Midi-Pyr´en´ees
Noens, Jacques-Clair Observatoire Midi-Pyr´en´ees
Paletou, Fr´ed´eric Observatoire Midi-Pyr´en´ees (Juillet 2003)
Rieutord, Michel Observatoire Midi-Pyr´en´ees
Roudier, Thierry Observatoire Midi-Pyr´en´ees
Semel, Meir Observatoire de Paris
Vial, Jean-Claude Institut d’Astrophysique Spatiale
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