Bloquer la lumière stellaire

Bloquer la lumière stellaire

1. Histoire. Bernard Lyot a inventé le coronographe en 1930 pour étudier la couronne solaire sans éclipse ; un masque dans le plan focal bloque le disque et un « diaphragme de Lyot » supprime la lumière diffractée (Lyot 1939). Les coronographes LASCO de SOHO montrent la même idée chaque jour (Brueckner et al. 1995). La scène du Soleil ci-dessus est une illustration inspirée de LASCO, pas une image LASCO.
2. Familles de coronographes. Masques d’amplitude de type Lyot, pupilles apodisées et masques de phase comme le vortex. Le paramètre clé est l’angle de travail interne, en unités de λ/D (Mawet et al. 2012). La Terre à 10 pc se trouve à 0,1″ de son étoile : environ 5,3 λ/D pour un télescope de 6 m à 550 nm [calc].
3. Optique adaptative et tavelures. Un miroir déformable aplanit le front d’onde turbulent des centaines de fois par seconde. Il reste des tavelures ; l’imagerie différentielle angulaire laisse le ciel tourner tandis que les tavelures restent fixes, ce qui permet de les soustraire (Marois et al. 2006).
4. Starshade. Un écran en forme de fleur placé loin devant un télescope (Cash 2006). Le concept Roman Starshade Rendezvous : 26 m à 26 000 km ; HabEx : 52 m à environ 76 600 km (HabEx Final Report).
5. Interférométrie à frange noire. Deux télescopes combinés en opposition de phase d’une demi-onde annulent l’étoile sur une frange sombre tandis qu’une planète hors axe se trouve sur une frange brillante (Bracewell 1978 ; le concept LIFE, Quanz et al. 2022).

Familles de coronographes, plan par plan

Chaque famille ci-dessous est dessinée sous forme de quatre plans d’un même train optique. Les intensités sont calculées, non peintes : optique de Fraunhofer d’un télescope idéal et monochromatique à pupille circulaire dégagée, affichée sur une échelle logarithmique depuis le pic de l’étoile jusqu’à un millionième. Les tailles du masque et du diaphragme, l’apodiseur et la luminosité des planètes sont illustratifs, et c’est indiqué.

Illustrationpas à l’échelle ; d’après Lyot 1939

1. Coronographe de Lyot. Un disque opaque dans le plan focal bloque le cœur de l’image de l’étoile. Ce qu’il ne supprime pas, c’est la lumière diffractée par son bord, que la lentille suivante envoie sur le pourtour de la pupille ré-imagée ; un diaphragme de Lyot légèrement plus petit que la pupille intercepte ce pourtour (Lyot 1939). Avec un disque de 4 λ/D, refermer le diaphragme de 150 % à 80 % de la pupille réduit la lumière stellaire à 8 λ/D de 6,7×10⁻⁵ à 1,8×10⁻⁷ du pic de l’étoile (sans coronographe : 7,8×10⁻⁵) [calc], tandis qu’une planète bien à l’extérieur du disque conserve 64 % de sa lumière, soit l’aire du diaphragme.
2. Pupille apodisée. Au lieu d’un masque, la transmission de la pupille décroît jusqu’à son bord, de sorte que l’image n’a pas de bord net d’où naissent des anneaux. Pour A(ρ) = (1 − ρ²)², l’anneau le plus brillant près de 5 λ/D passe de 7,8×10⁻⁴ à 1,2×10⁻⁶ du pic de la pupille non obstruée [calc], mais seuls 1/(2n + 1) = 20 % de la lumière passent et le cœur est plus large. Les apodiseurs réels (pupilles façonnées, conceptions prolates et APLC) sont optimisés numériquement ; cette décroissance est illustrative.
3. Masque de phase vortex. Un masque transparent dont la phase s’enroule autour de son centre (e^(2iθ), charge 2) déplace la lumière d’une étoile sur l’axe hors de la pupille réimagée : pour un vortex idéal de charge 2 sur une ouverture circulaire dégagée, le champ y est exactement nul à l’intérieur de la pupille et vaut (1/ρ)² à l’extérieur [calc], de sorte qu’un diaphragme juste à l’intérieur de la pupille supprime l’étoile. Les masques de phase sont la famille qui fonctionne le plus près de l’étoile (Mawet et al. 2012) ; les vortex réels laissent des résidus dus aux erreurs de front d’onde et à la taille finie de l’étoile.
4. Optique adaptative et ADI. Un miroir déformable transforme le halo de seeing en un cœur net, mais des tavelures quasi statiques de largeur λ/D subsistent. La pupille de l’instrument étant fixe, le ciel et la planète tournent au cours de la nuit tandis que les tavelures restent ; la médiane de la séquence modélise les tavelures, et chaque image dont on l’a soustraite, ramenée selon sa rotation de champ puis empilée, conserve la planète (Marois et al. 2006). Les images présentées sur la scène sont synthétiques. Sur le ciel, GPI atteint environ 10⁻⁴ de contraste brut à 0,4″ en 60 s, et plus de dix fois plus profond après une heure d’ADI (Bailey et al. 2016).

L'échelle des contrastes

Les planètes de HR 8799 sur le canevas utilisent les demi-grands axes et les excentricités d’exoplanet.eu ; leur orientation sur le ciel est illustrative, et le temps est compressé. Les contrastes issus d’instruments différents sont mesurés à des séparations, des longueurs d’onde et des significativités différentes, de sorte que les échelons ne sont pas directement comparables.

1,216 of the 8,049 planets with a stored distance in exoplanet.eu were found by imaging (the first method listed). Show them on the Galaxy map ›

Données réelles, sourcées

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Les nombres par année et par méthode, sous forme de tableau ›