Partie 3 : la réalisation du cube de pointage

L’image ci-après présente l’instrument Star’Ex en situation pour observer les étoiles. On identifie le module de guidage/pointage tout à l’entrée, ressemblent à un cube, qui fait le lien entre la lunette (ou le télescope), ainsi qu’une extension, la caméra de guidage/ Sol’Ex en lui-même est inchangé, mais on remarque une caméra d’acquisition dont le détecteur est refroidi pour une meilleure performance sur les objets faibles (recommandé, mais pas obligatoire pour les premières armes).

Star’Ex au complet avec sa caméra de guidages et une caméra d’acquisition des spectres disposant d’un système de refroidissement du capteur.

Le cube de guidage est important car il va vous permettre de viser l’étoile donc on cherche à prendre le spectre et à positionner celle-ci sur une fente aussi étroite que 10 microns au foyer du télescope. Je montre comment on procède dans une vidéo à suivre.

Une poignée de composants optiques est nécessaire pour réaliser le cube de guidage. Ils sont inclus dans le kit de base de Sol’Ex que vous pouvez vous procurer auprès de Shelyak (voir rubrique « Contact ») :

- deux lentilles de 12,7 mm de diamètre et de 50 mm de longueur focale, qui produisent une image de qualité et permanente de la fente de Sol’Ex sur la caméra de guidage.

- un miroir aluminé de 15 mm de côté.

Le schéma optique du système de guidage/pointage est le suivant :

L’image nette du champ d’étoile focalisé sur la fente par le télescope est réfléchie par la fente (sauf à l’endroit même de la fente). C’est la raison pour laquelle a fente de Sol’Ex est incliné à 30° = après réflexion, la lumière est  dirigée de côté sur un petit miroir de renvoi. Ce dernier réfléchit la lumière vers les deux doublets de 50 mm de focale, positionnée tête-bêche, et qui forment une image nette de la fente sur le détecteur de guidage. Ces deux lentilles forment un transporteur d’images, sur le principe que l’on retrouve sur les périscopes, par exemple.

L’assemblage de ces éléments optiques est fort simple, il ne demande aucun réglage.

Côté mécanique, l’image ci-après montre les pièces à réaliser en impression 3D. Elles sont assez peu nombreuses :

Une fois ces pièces imprimées, vous pouvez procéder au montage.

Il y a 7 inserts RUHEX M3 à monter dans les pièces, 3 dans la pièce « tube guide #3 », et 4 dans la pièce « cube guide 1# ». La procédure est décrite en détail à la section « Construction » de Sol’Ex.

Le montage proprement demande de coller le miroir de 15 mm dans le support incliné #2. Il s’agit de la seule partie qui demande un peu d’attention. Le montage des lentilles revient à un simple empilage en prenant garde au sens de montage :

Les photographies suivantes montrent l’aspect du tube de guidage qui intègre les deux lentilles. 

Partie 4 : le réglage de la caméra de guidage

Partie 5 : les premières observations avec Star’Ex

Détail de la raie H-alpha à très haute résolution (R=40000) dans le spectre de l’étoile CH Cyg (magnitude proche de 5), réaliser avec une lunette de 65 mm de diamètre seulement.

Quelques unes des options utilisables avec Star’Ex sont décrites à la suite.

Partie 6 : les options

Partie 6.1 : exploitation d’une fente Lhires III

Concevoir un spectrographe comme Star’Ex est une question de compromis. Dans la partie 3 (voir la vidéo) j’ai montré que cet instrument pouvait observer les étoiles avec une fente de 10 microns de large seulement. La performance en résolution spectrale est alors remarquable  (proche de R=40 000). Mais cependant à une condition : que la lunette soit de courte focale (et de petit diamètre). Dès lors que la distance focale s’approche de 1 mètre, la fente bloque une fraction trop significative des rayons lumineux avant qu’ils ne parviennent sur le détecteur en raison de l’élargissement la tache image induite par la turbulence ou les erreurs de suivi.

C’est ici que le compromis intervient : il faut sacrifier un peu de finesse spectrale pour qu’en compensation, le flux de photons entre dans Star’Ex. La solution est simple : il faut utiliser une fente plus large que 10 microns. On ne peut tout avoir simultanément.

Il est parfaitement possible d’associer à Star’Ex un vaste choix de fente, avec des largeurs qui permettent même de monter notre instrument aussi sur des télescopes pouvant avoir 1 mètre de diamètre ! J’ai pris soin à cela, car mon désir est que le projet Sol’Ex/Star’Ex soit aussi souple d’usage que possible.

Pour ce faire, j’ai choisi d’utiliser le jeu de fentes prévu pour les spectrographes Lhires III et LISA de la société Shelyak. Ces fentes peuvent être commandées auprès de cette dernière entreprise. Elles reposent sur le même principe que la fente de 10 microns en votre possession, avec une photolithographie de haute précision dans une couche de chrome déposée sur une fine lame de verre. Votre travail est d’imprimer une rondelle support spécifique à ces fentes, qui remplace la rondelle actuelle Sol’Ex pour fente de 10 microns. Références des fentes disponibles auprès de Shelyak : SE0116 (recommandée), SE0122, SE0194.

Leș fichiers STL (support fente et deux brides) des pièces permettant d’utiliser les fentes Shelyak Litres III peuvent êtres téléchargées en cliquant sur le lien suivant : fente_kit.

La manière de réaliser le montage et le réglage de ces fentes est expliquée dans la vidéo ci-après.

Faites très attention lorsque vous serrez les deux brides car la fente est un objet en verre fragile. Ces brides ne servent qu’a obtenir un maintien léger. Serrer les 4 vis par petites touches successives pour obtenir une simple pression des brides sur la fente. En aucune manière vous devez serrer fortement, au risque d’aboutir à de la casse :

Partie 6.2 : le télescope et la caméra

En revanche le couplage entre un Newton F/4 ou F5 avec un Star’Ex HR (configuration 80x125, objectif de 125 mm, réseau de 2400 t/mm) est nettement plus délicat. Compte tenu de la forte incidence des rayons lumineux sur un réseau de 2400 traits/mm, le vignette interne sans Star’Ex HR devient vite fort. Pas de problème à f/10 ou f/9. En revanche, à f/5 vous allez perdre 50% du flux collecté par le télescope, et jusqu’à 35 à 40% avec un télescope ouvert à f/4, ce qui est assez difficilement acceptable. L’usage d’une lentille de Barlow est obligatoire en haute résolution avec un télescope aussi ouvert. C’est une complication. Notez que l’utilisation d’une lunette ouverte à f/5 avec Star’Ex HR pose le même type de problème. Mais le cas des télescopes est plus problématique en raison de la présence de l’obstruction centrale qui fait une ombre sur le réseau, d’autant plus large que le télescope est ouvert.

D’une manière générale, avec Star’Ex HR, dès lors que l’instrument est plus ouvert que f/6,5, je recommande pour l’observation des étoiles d’ajouter dans le chemin optique une lentille de Barlow qui accroît artificiellement la longueur focale de la lunette ou du télescope. Une Barlow donc le grandissement est de 1,5 à 1,8 est souvent un bon choix. Dans tous les cas de figure, partir d’un télescope ouvert à f/4 est toujours plus difficile que de partir d’un télescope ouvert à f/5 (les spectrographes n’aime pas les faisceau trop ouverts !), mais vous n’avez peut être pas le choix.

La difficulté lorsqu’une lentille de Barlow est ajoutée est l’apparition d’une aberration chromatique, surtout dans la partie bleue du spectre : 

Observation et simulation optique avec un ancien modèle de lentille de Barlow (CLAVE) de grandissement X2 sur un télescope Newton de 250 mm f/4,5. L’étoile observée est Deneb (alpha Cyg). On remarque l’élargissement de la trace 2D du spectre en allant vers l’ultraviolet. En jouant sur la focalisation (50 microns, 150 microns, …) il est possible d’affiner la trace à certaines longueurs d’onde, mais malheureusement au détriment d’autres parties du spectre. C’est un défaut de chromatisme typique.

Le modèle de lentille APM X2.7, qualifié d’ « apochromatique » par le fabricant, réduit cette aberration par l’emploi d’un verre spécial. J’ai pu le constater par une analyse théorique et par l’observation :

Simulation optique d’une lentille de Barlow type APM X2.7 exploitée sur un télescope Newton ouvert à f/4,5. La correction chromatique est très bonne, avec une qualité image uniforme depuis l’ultraviolet jusqu’à l’infrarouge. Un résultat excellent, notamment pour la spectrographie.

Malheureusement, la courte focale de la lentille APM X2,7 rend son usage difficile si on vise un grandissement voisin de 1,6 à 1,8.  On rappelle que le grandissement A d’une Barlow est donné par la formule :

A = 1 - d/f

avec d, la distance de la Barlow au détecteur et f, la distance focale de la Barlow. Dans le cas de la Barlow APN, la focale est f = -60,3 mm et vérifiera sans peine qu’il faut approcher de très près la lentille de la fente pour aboutir au grandissement désiré de X1,6, ce qui génère de nouvelles aberrations optiques (aberration de sphéricité, car le composant n’est pas calculé pour être utilisé de cette manière). Une lentille de focale plus longue sera préférable, comme la Tele Vue 1.8x de focale de f = -133 mm, que j’ai eu l’occasion de tester avec succès sur une large partie du spectre accessible à Star’Ex. Dans ce cas, le grandissement de 1,6 est obtenu avec une distance lentille-détecteur de 80 mm, ce qui est relativement proche de la valeur nominale. Remarquez dans la photographie ci-après que j’ai logé le lentille dans le coulant de 50 mm après avoir réalisé une petite pièce d’adaptation en impression 3D (de l’intérêt de disposer d’une imprimante 3D !).

Lentille de Barlow Tele Vue 1,8x positionnée 80 mm en avant du plan de la fente de Star’Ex. 

Partie 6.3 : le choix du réseau

Spectre infrarouge de l’étoile Véga réalisé  avec Star’Ex monté au foyer d’un petit télescope Newton 200 mm f/5. Le spectre montre la raie de l’hydrogène Pashen #8 à 10049 A, et surtout la raie Pashen #7 à 10938 A, ce qui est un probable record en astronomie amateur. Noter l’utilisation d’un réseau dont l’angle de blaze est optimisé pour 1 micron de longueur d’onde. La caméra est équipée d’un banal capteur CMOS (on est ici à l’extrême limite du domaine de sensibilité des détecteurs à technologie silicium).

Le spectre infrarouge de la nova Cas 2021. Toutes les raies de la série de Pashen sont en forte émission.

Star’Ex peut parfaitement servir à observer des objets non stellaires dès lors que l’on adapter bien la dispersion spectrale. On peut même s’attaquer à des objets extragalactiques, comme dans l’exemple suivant, avec pour cible la galaxie Messier 51 observée avec une lunette de 85 mm de diamètre seulement et un réseau de 300 traits/mm (le « redshift » de la galaxie peu être mesuré !) :

On voit la « tranche » de nébuleuse analysée dans l’image de la caméra de guidage, à gauche. A droite, le spectre montre de nombreuses raies d’émission, très fines. La forme de ces raies change en fonction de l’élément chimique, ce qui est à l’origine de la couleur à cet objet vue dans les photographies. 

On peut ainsi être conduit à utiliser des réseaux faiblement dispersifs en sacrifiant la résolution spectrale dès lors que l’on vise des objets de faible éclat..Pour les applications solaires (Sol’Ex), le réseau de 2400 t/mm est privilégié (mais aussi utilisable sur les étoiles, on a pu le constater à la partie 3). Pour le solaire encore, un réseau de 1200 t/mm peut aussi être intéressant, en particulier pour réaliser des images du Soleil dans la région ultraviolette, au niveau des raies H etK du Ca II (par rapport à un réseau de 2400 traits/mm, plus forte luminosité, résolution spectrale suffisante, bonne qualité image).

Par expérience, et cette remarque est important, si vous débutez en spectrographie stellaire, il faut privilégier la haute résolution spectrale. Ce n’est pas immédiatement intuitif, mais il est nettement plus facile d’exploiter et d’étalonner un spectre haute résolution qu’un spectre basse résolution. Sur le plan astrophysique, vous aurez aussi plus immédiatement des résultats (les spectres « bougent » plus vites en haute résolution qu’en basse !). Donc, pour vos premières armes avec Star’Ex, visez un réseau de 2400 traits/mm et/ou de 1200 traits/mm. 

Partie 6.4 : la configuration « 80 mm / 80 mm »

La combinaison optique « 80 mm + 80 mm », ici avec un réseau de 300 traits/mm, une couverture spectrale allant de 390 nm à 750 nm et un faisceau d’entrée à f/8. 

Une interface caméra spécifique, supportant l’objectif optimisé de 80 mm et adaptée au système hélicoïdal ZWO, doit être réalisée. Elle est simple et fort voisine du « kit APN » décrit à la section «Construction», partie 4 (seule la bague de bloquage de l’objectif est ici légèrement plus fine). Vous pouvez télécharger les fichiers STL de cette cette interface de la configuration 80x80 en cliquant ici. Notez quelle est compatible avec l’emploi d’une caméra refroidie ZWO ASI183MM, ZWOASI1600MM… ou les équivalents QHY, par exemples.

Pour apprécier la performance de l’option « 80 mm / 80 mm » de Star’Ex, voici par exemple un spectre ultraviolet de l’étoile RS Oph (outburst) obtenu un télescope Newton de 200 mm à f/5 et un réseau de 2400 mm. La performance est telle qu’il est possible de détecteur une émission dans le coeur des raies H et K du Ca II :

Ci-dessous, avec la même configuration, le spectre ultraviolet de l’étoile Vega (temps de pose de seulement 28 secondes avec un Newton 200 mm f/5)  :

Nota :  en dessous de 3680 A, l’absorption des verres des objectififs devient trop sévère.

La partie bleue du spectre de l’étoile Deneb avec la configuration 80 mm / 80 mm et un réseau de 600 traits/mm (44 secondes pose) :

Ci-après , l’aspect du spectre solaire (lumière du jour) et de lampes à raies d’émission sous la forme d’images (dites 2D) réalisées avec la configuration « 80 mm / 80 mm)  :

De haut en bas, le spectre de la lumière du jour, le spectre de la lumière du jour à haut contraste (remarquer les raies H et K du Ca II à gauche et le spectre infrarouge à droite), le spectre d’une lampe néon, le spectre d’une lampe fluo-compact.

La vidéo suivante (cliquer sur l’image) explique comment monter la configuration 80 mm x 80 mm, puis comment l’utiliser sur un télescope, avec des exemples :

Pour plus d’informations sur la manière d’installer Star’Ex sur une configuration de télescope donné, cliquer ici.

Partie 7 : le filtre d’ordre

L’emploi de la version infrarouge de Star’Ex nécessite l’ajout d’un filtre d’ordre devant la fente d’entrée afin d’éliminer la partie bleue du spectre d’ordre 2 qui sinon recouvrerait la partie infrarouge à l’ordre 1 que l’on souhaite observer. 

Ce filtre d’ordre, de couleur orange et du type passe-haut, est fourni avec le kit optique Star’Ex basse résolution infrarouge (voir la partie « Contacts » de site). Vous pouvez télécharger les fichiers STL du porte-filtre (deux pièces) en cliquant ici. Le filtre peut être fixé dans son logement avec du ruban adhésif (du Kapton par exemple, idéal pour les pièces optiques).

A propos de l’importance du recouvrement d’ordre :

Il est possible d’observer la partie infrarouge du spectre avec un Star’Ex basse résolution « visible » en pivotant la roue supportant le réseau, en ajoutant le support porte filtre d’ordre décrit dans cette section et bien en disposant le filtre en question.

Malheureusement, le résultat obtenu ne sera pas optimal. L’idéal est de ce procurer l’extension infrarouge des kits Star’Ex, qui propose, outre le filtre d’ordre, un réseau à diffraction dont le rendement est maximal dans l’infrarouge et un objectif de caméra calculé pour obtenir un spectre bien net depuis 6200 A jusqu’à 10000 A. L’idéal est bien sûr de disposer de deux spectrographes couvant pour l’un le visible, pour l’autre l’infrarouge. Dans cette configuration, luxueuse il faut le reconnaître, il est recommandé d’utiliser systématiquement le support porte-filtre afin de garder le même point de focalisation du télescope si on est conduit à échanger les spectrographes (à gauche un Star’Ex «visible», à droite un Star’Ex «infrarouge») :

Partie 8 : le traitement des spectres

Le traitement des spectres consiste en des opérations classiques de retrait du signal thermique, de l’offset et de la division par le flat-field.  Viennent ensuite des taches propres à la spectrographie, comme les opérations de correction géométriques, d’extraction du profil spectral ou encore d’étalonnage en longueur d’onde et en flux relatif ou absolu.

Ces opérations, relativement nombreuses, sont facilitées par des logiciels comme VisualSpec, i-Spec ou encore ISIS. Mais, dans le contexte  du projet Sol’Ex/Star’Ex, et aussi son esprit, un logiciel de traitement a aussi été créée, il s’agit de specINTI, et de son interface graphique specINTI Editor. Il est libre de droit, écrit en langage Python et peut fonctionner sous Windows ou encore Mac OS X.

Pour télécharger specINTI et consulter la documentation, accompagnée par de nombreux exemples, cliquez ici. N’hésitez pas à fouiller et à expérimenter par vous même.

Partie 9 : Lab’Ex

Si Sol’Ex et Star’Ex permettent d’observer le Soleil et les étoiles, ces instruments peuvent êtres utilisés pour bien d’autres application. L’extension Lab’Ex, pour « Laboratory Explorer », a par exemple été imaginé pour mesurer la transmission optique de filtres, de liquides… Il s’agit d’un vrai instrument de laboratoire à bas coût pour réaliser des mesures scientifiques et techniques dans des domaines très divers.

Ce banc de mesure qui peut se décliné sous diverses formes. L’une des plus complète est surement la version de Olivier Garde. Tous les détails pour la construction sont donnés ici :

Cliquez ici pour consulter une forme simplifiée de Lab’Ex :

Sur cette même page vous allez trouver des informations sur la manière d’utiliser le logiciel specINTI de manière simple pour ces applications de laboratoire, avec aussi de nombreux exemples.

Partie 10 : comment vite transformer Sol’Ex en un spectrographe stellaire

Si vous disposez d’un Sol’Ex et si vous avez la curiosité de voir ce que donne cet équipement en spectrographie stellaire, sans le moindre surcoût, même si vous ne disposez pas d’une caméra refroidie alors :

1 - Remplacez la fente actuelle de 10 microns de large sur verre, avec son support incliné, par une fente bien plus rudimentaire de 2 mm de large à imprimer en 3D (ou bricoler). Il n’y a que deux vis à retirer et vous ne modifiez aucun réglage. La nouvelle fente, dite « large », peut être réalisé en imprimant les deux petites pièces définie par des fichiers STL que l’on peut télécharger ici. Voici l’aspect de ces deux pièces :

2 - Visionnez cette vidéo Youtube (cliquez sur l’image) :

Partie 11 : pour bien débuter avec Star’Ex

Je vous propose en premier une vidéo en deux parties qui introduit l’utilisation de specINTI Editor en s’appuyant sur des observations réalisées avec une lunette de 100 mm de diamètre en haute-résolution spectrale :

En bonus : comment capturer le spectre des étoiles en pleine journée

Voir aussi la présentation faite lors de l’atelier Sol’Ex du 21 janvier 2022, avec plein de conseils : bien_débuter_avec_starex.pdf

Ainsi que la vidéo complète de cet atelier, à visionner en cliquant sur l’image ci-après :

Sol’Ex / Star’Ex est un projet vivant qui suscite nombres d’échanges et aussi des évolutions (ne pas hésiter à s’abonner à la liste de discussion Sol’Ex ou encre à la page Facebook du projet - voir à la page Contacts de se site) . L’un des sujets évoqué concerne la stabilité d’ensemble de Star’Ex car pour observer les étoiles on lui adjoint des caméras assez lourdes (des modèles où le détecteur est refroidi par effet Peltier). La conséquence est la présence de flexions mécaniques, variables en fonction de la direction de visée du télescope sur la voute céleste. Ces flexions différentielles sont est notamment à l’origine d’erreurs d’étalonnage spectral. Dans les vidéos précédente, il est évoqué une technique, efficace, pour gommer une bonne partie du problème. Cependant, il s’avère possible d’accroître à la base  la rigidité d’ensemble de Star’EX au prix d’un petit effort, et il serait dommage de passer à coté. Je vous suggère de visionner la vidéo ci-après pour juger de quoi il retourne et comment accroitre facilement et efficacement la rigidité de votre Star ‘Ex :