Télescope solaire THEMIS - Définition

Introduction

Le télescope solaire THEMIS est un télescope français situé dans les îles Canaries et dédié à l’étude du magnétisme et des instabilités solaires.

THEMIS signifie « Télescope Héliographique pour l’Étude du Magnétisme et des Instabilités Solaires ».

Contexte

Dans les années 70, la physique solaire est largement développée grâce aux observations de Meudon et au travail des théoriciens qui les ont exploitées. Les connaissances s’accumulent mais une réponse amenant une nouvelle question, il faut sans cesse affiner les mesures des champs magnétiques et des mouvements de la matière dans les régions actives.

En 1975, le pôle solaire de l’observatoire de Meudon publiait un projet complet sur l’établissement d’un instrument solaire dans les îles Canaries. Cet instrument que Jean Rayrole concevait devait permettre la mesure des champs magnétiques avec une grande précision. Le projet déboucha vingt ans plus tard pour offrir à la communauté solaire le Télescope Héliographique pour l’Étude du Magnétisme et des Instabilités Solaires, ou plus simplement THEMIS.

Compte tenu de la complexité de cet instrument et de son actualité, nous n’en ferons qu’une description très sommaire. Il est toutefois important de comprendre la démarche scientifique qui a conduit l’équipe solaire de Meudon à l’étudier et à en assurer sa construction.

Le projet THEMIS

Les grands thèmes évoqués plus haut ont amené la communauté solaire française à imaginer un télescope solaire qui allie plusieurs qualités : grande résolution angulaire, situation privilégiée et absence de polarisation instrumentale. Il fallait pouvoir mesurer les champs magnétiques, donc la polarisation dans les raies spectrales, sur des structures très fines de l’atmosphère du Soleil.

Jean Rayrole avait déjà une très grande expérience dans l’étude des champs magnétiques solaires grâce au magnétographe de Meudon. Malheureusement, l’utilisation d’un sidérostat introduit une forte polarisation linéaire qui limite considérablement les possibilités de l’instrument. Pour faire une analyse complète de la polarisation, il faut pouvoir déterminer les paramètres de Stokes de l’onde lumineuse. Les paramètres de Stokes sont un ensemble de quatre valeurs qui décrivent l’état de polarisation d’une onde électromagnétique. Ces paramètres sont souvent notés sous la forme d’un vecteur et s’exprime en fonction de l’intensité totale du faisceau, son taux de polarisation et les paramètres de l’ellipse de polarisation. Ils permettent de décrire la lumière non polarisée, partiellement et totalement polarisée. Cette représentation vectorielle est adaptée à l’expérience car chaque paramètre correspond à une somme ou une différence d’intensités mesurable.

I = 1, Q = U = V = 0 : La lumière est naturelle

I² = Q²+U² + V² : La lumière est totalement polarisée

V = 0 : La polarisation est rectiligne

V = I, U = Q = 0 : Polarisation circulaire

U = 0 : Polarisation elliptique

THEMIS est un télescope de type Ritchey-Chrétien sous vide, directement pointé sur le Soleil. Sa polarisation elliptique est nulle et la polarisation rectiligne inférieure à 1/10000. Il focalise l’image du Soleil sur la fente d’un spectrographe derrière laquelle on place des lames cristallines achromatiques, quart d’onde pour mesurer la polarisation circulaire et demi onde pour la polarisation rectiligne. Les axes de ces lames sont parallèles et perpendiculaires à la fente du spectrographe. On place ensuite deux cristaux de quartz dont les faces sont taillées à 45° de l’axe cristallographique. Ils sont croisés l’un par rapport à l’autre et orientés de façon que les deux faisceaux de lumière rectiligne qu’ils transmettent soient polarisés à 45° de la fente du spectrographe.

Le bâtiment THEMIS est conçu pour conserver la qualité des images. Les formes arrondies de la construction limitent la turbulence. Son orientation, en fonction des vents dominants, est optimisée pour favoriser les observations matinales qui sont les meilleures. Le bardage d’aluminium peint en blanc réduit l’échauffement. Le télescope est porté par une tour intérieure en béton indépendante du bâtiment principal pour éviter la propagation des vibrations. Le télescope est à 22.5 mètres du sol au dessus de la zone de turbulence due à l’échauffement de la terre par le Soleil.

Le système THEMIS est composé d’un télescope Ritchey-Chrétien (variante du Cassegrain classique à grand champ) de 90 cm de diamètre sous vide. L’analyseur de polarisation et le miroir secondaire sont refroidis. Un dispositif d’optique adaptative pour annuler la turbulence atmosphérique est en cours d’étude. Un spectrographe prédisperseur permet de sélectionner les domaines à observer qui sont envoyé sur un spectrographe échelle. Avec un tel système, l’observateur obtient autant de spectre que de domaines choisis. 20 caméras CCD collectent les données spectrales. Le prédisperseur et le spectrographe échelle peuvent aussi être utilisés en spectro-imagerie. Les spectrographes fournissent plus de 2 millions d’octets de données par seconde, soit l’équivalent de plus de 8000 profils de raies toutes les deux secondes.

Une seconde instrumentation, construite par l’Italie, est disponible. Il s’agit d’un filtre universel biréfringent comprenant un interféromètre Fabry-Pérot à bande étroite de 0.02 Å équipé d’une caméra CCD. Afin d’exploiter au mieux ces données, une base informatique, BASS2000, est en place à Tarbes. Elle regroupe également les informations provenant des autres observatoires français et est en relation avec la base MEDOC qui archive les données du satellite SOHO.