Coronographie

En plus de révéler la couronne de l'étoile, la technique du coronographe permet de rendre visible des objets orbitant près d'elle. Cette technique permet de faire apparaitre des objets dont la luminosité est des millions voire des milliards de fois moins importante que celle de l'objet occulté. C'est ainsi que le satellite d'observation solaire SoHO, un très grand révélateur de comètes, a, en un peu moins de dix ans de fonctionnement, permis de révéler 1 000 comètes.

De plus, la technique du coronographe a depuis les années 1980, été adaptée à l'étude d'autres étoiles que le Soleil. Avec l'espoir de pouvoir ainsi détecter de nouvelles exoplanètes.

C'est Bernard Lyot qui inventa le premier coronographe au début des années 1930. Il lui permit d'observer la couronne solaire hors éclipse à l'aide d'un télescope réfracteur.

En 1996, les deux astronomes français Jean Gay_astronome et Yves Rabbia proposèrent leur coronographe interférentiel achromatique permettant de réaliser l'occultation de l'image donnée par une étoile brillante. Il s'agit ici d'observer l'environnement proche d'autres étoiles que le soleil, en particulier dans le but de détecter des planètes en orbite ou en formation autour de ces étoiles.

En 1997, deux autres astronomes français, François Roddier et Claude Roddier, proposent à leur tour un nouveau type de coronographe. Celui-ci reprend le principe du coronographe de Lyot mais remplace le masque occultant l'étoile par un masque la déphasant de pi dont l'avantage principal est de pouvoir détecter des planètes situées plus près de l'étoile visée.

Au début des années 2000 plusieurs propositions sont faites pour modifier la transmission de la lumière dans la pupille d'entrée de l'instrument, et ceci dans le but d'améliorer sa fonction d'étalement du point. Cette technique d'apodisation de pupille est proposée soit en tant qu'alternative à la méthode coronographique traditionnelle, soit pour renforcer l'action d'un coronographe de Lyot.

Bien que plusieurs nouveaux coronographes aient été proposés depuis, leurs principes restent fondamentalement les mêmes que ceux des coronographes évoqués plus haut. Certains combinent ces principes pour améliorer les performances de l'instrument.

En 2008 la planète extrasolaire Fomalhaut b est la première planète découverte par visualisation directe via une photographie coronographique provenant du télescope spatial Hubble.

Schéma du Coronographe de Lyot, dans son article original en 1931

Le principe de base est simple, un masque opaque d'un diamètre adapté à l'étoile observée est placé dans le télescope. Le masque a ainsi le même comportement que lorsque la Lune passe devant le Soleil lors d'une éclipse, occultant sa lumière et nous laissant voir sa couronne.

Le génie de Bernard Lyot dans son invention, est d'avoir analysé finement les phénomènes de réflexion et de diffraction à l'intérieur de son dispositif et d'avoir ainsi conçu une optique permettant de séparer la lumière en provenance de la couronne solaire et celle diffractée par le bord de l'objectif principal. C'est le rôle du « diaphragme de Lyot », ou Lyot stop.

Détail du coronographe de Lyot pour l'observation du Soleil

Nomenclature des composants du coronographe de Lyot

Voici le principe optique plus détaillé basé sur la figure ci-contre :

L'objectif O1 forme l'image du Soleil à son foyer, sur le disque occulteur qui couvre exactement l'image du disque solaire. Seuls subsistent les rayons lumineux provenant de la couronne solaire. La lentille O2 donne de l'image du Soleil occulté une image virtuelle, translatée de quelques mm en direction de O1, et donne de l'objectif O1 une image réelle sur le diaphragme. Ce dernier permet de se débarrasser de la lumière parasite diffractée par le pourtour de l'objectif O1.

Les objectifs O3 et O3' donnent de l'image virtuelle du disque occulté préalablement formée par O2 une image réelle observable à l'oculaire ou reçue sur la pellicule d'un appareil photographique ou sur le capteur d'une caméra numérique. Entre les deux éléments O3 et O3', les rayons lumineux sont parallèles, ce qui permet d'utiliser un filtre monochromatique Hα dans les meilleures conditions.

Ce type de coronographe avec un masque constitué d'un disque opaque, appelé coronographe de Lyot, ne permet souvent pas de détecter de planètes extrasolaires. En effet, pour atténuer suffisamment l'étoile, il faut utiliser un masque souvent trop large pour que l'on puisse observer les planètes à faible séparation. D'autres types de coronographes utilisant le même principe mais des masques différents ont été développés.

La traversée de l'atmosphère sur Terre dégrade les performances des coronographes. En effet, en introduisant des perturbations dans la lumière perçue, ils nuisent à l'extinction de l'objet central. L'utilisation de coronographe dans l'espace commence à se généraliser et de nombreux instruments présents ou futurs embarquent des coronographes. Parmi eux, on peut citer :

• Le satellite SoHO, collaboration NASA/ESA, lancé en 1995 pour l'analyse du Soleil ;
• L'instrument NICMOS sur le télescope spatial Hubble ;
• Les instruments Near Infrared Camera (NIRCam) and Mid Infrared Instrument (MIRI) sur le télescope spatial James Webb.