Camera EMCCD

 

  Rapport d’utilisation Camera Merlin EC247 Raptor photonics      

B. Trégon, M. Castets, C. Cavadore

Traitements effectués sous Prism V7 C.Cavadore

(sauf indications contraires)

Ce rapport regroupe l’ensemble des expériences menées à l’aide d’une caméra EMCCD modèle Merlin EC247 de la société Raptor Photonics, et réalisées au cours de la mission d’observation de la semaine 27 de l’année 2009 à l’observatoire du Pic du Midi de Bigorre, au télescope de 60 cm. Sont présentées dans ce rapport, un panel d’observations astronomiques accessibles à l’aide de cette camera.

Manip 1 : Occultation d’une étoile par un astéroïde trans-neptunien (TNO : 2002MS4)

Manip 2 : Un peu de tourisme en ciel profond

Manip 3 : Caractérisation optique du télescope (test de Roddier)

Manip 4 : Essais en « Lucky Imaging » sur les satellites de Jupiter

Manip 5 : Interférométrie des tavelures

 

Manip 1 : Occultation d’une étoile par un astéroïde trans-neptunien (TNO : 2002MS4)

La première expérience consiste à observer en mode vidéo, une éclipse d’étoile par un astéroïde. L’intérêt de cette manip est de permettre, quand elle est réussie d’obtenir avec une précision extrême (de l’ordre de quelques km), la dimension de ces corps qui est actuellement encore mal connue. Le sujet de cette première expérience est un astéroïde de la classe des TNO (Trans neptunian orbiter). Il s’agit d’un astéroïde gravitant au-delà de l’orbite de Neptune, et appartenant à la classe des « petites planètes ». L’incertitude sur la dimension de ces corps est énorme, et seule une manip de type occultation est à même de permettre une détermination de leurs dimension avec la précision précitée. Les prédictions de passage de cet astéroïde (nommé 2002MS4) devant l’étoile UCAC28945167 sont les suivantes :

Nous étions loin de la zone d’éclipse, mais l’incertitude sur la position réelle de l’étoile, ainsi que sur la trajectoire de l’astéroïde nous ont incité à tenter l’expérience. A la demande des astronomes professionnels de l’IMCCE (Institut de mécanique céleste de l’observatoire de Paris), nous avons enregistré une séquence vidéo avec incrustation du temps reçue par signal GPS.

Extraction d’une pose brute :

 

 

L’étoile cible, de magnitude 13.82 est parfaitement visible sur la séquence video.

Après incrustation de l’image sur une carte de champs, nous avons pu vérifier la sensibilité de cette caméra en scannant les étoiles présentes sur les poses de 89ms.

Le cliché précédent montre qu’une pose de 89ms suffit à obtenir des magnitudes de 15.7 sans difficulté. Nous verrons plus loin que la magnitude limite en mode video que nous pouvons obtenir avec une cadence suffisamment rapide pour ce genre d’événement peut atteindre la magnitude 16.2.

Résultat : La vidéo a été transmise à Jean Lecacheux, Astronome professionnel à l’observatoire de Paris Meudon, pour extraction de la courbe de variation de luminosité de l’étoile.

La courbe brute ne montre malheureusement pas l’éclipse tant attendue. Le résultat est malgré tout très probant en termes de sensibilité. La Camera Merlin permet une cadence intéressante pour avoir une bonne précision sur la datation relative des images, et une sensibilité permettant d’atteindre des occultations de faibles magnitudes.

Il serait par contre intéressant de faire quelques tests complémentaires pour caractériser la précision temporelle absolue que l’on peut obtenir en incrustant la datation de l’image sur le signal vidéo et en jouant sur la cadence d’acquisition.

Manip 2 : un peu de tourisme en ciel profond

              Afin de se donner une idée des performances de la camera Merlin sur des objets étendus, nous avons pendant une petite heure, tenté des acquisitions vidéos sur des objets du ciel profond.

Nous avons pris comme première cible la nébuleuse de la Lyre (Messier 57), nébuleuse planétaire. Le résultat est impressionnant. Un temps de pose de « seulement » 500ms avec un gain moyen de 59% permet de faire apparaître les extensions de la nébuleuse. Le gain sature aux environ de 77%. Il reste donc de la marge en termes de sensibilité.

Une petite analyse photométrique des objets présents sur le cliché permet d’estimer la magnitude limite dans ces conditions de prise de vue. Le résultat est très intéressant :

Magnitude limite 16.2 Flux= 2351.5 ±328.9 S/N= 13.16

La deuxième cible est aussi un objet très connu, la Nebuleuse  Dummbell (Messier 27), la aussi une nébuleuse planétaire bien connue.

A titre de comparaison, nous présentons ici une image obtenue en pose longue a l’aide d’une caméra CCD classique. Le rapport signal/bruit est moins bon, ce qui est logique par rapport aux caractéristiques intrinsèque de la matrice. De plus l’image obtenue avec la camera SBIG est prétraitée, mais ce qui est étonnant est d’obtenir des résultats comparables en terme de magnitude limite. On commence, en mode vidéo à percevoir les extensions de la bulle de gaz en 500ms alors qu’elles commencent à se détacher clairement avec des poses de 180 secondes en imagerie classiques. 

Manip 3 : Caractérisation optique du télescope (test de Roddier)

            La troisième expérience a consisté à  faire une analyse directe de la qualité optique du télescope.

Nous avons pour cela utilisé le test de Roddier, qui consiste à calculer les aberrations optiques en imageant une étoile dé focalisée intra et extra focale. En condition de prise de vue vidéo, on obtient des images brutes « bosselées » par la turbulence (voir ci-dessous les deux premières lignes du tableau). La prise de vue en conditions vidéo, en appliquant un traitement statistique de cette dernière, permet de s’affranchir de ce bosselage, méthode plus aléatoire lorsque l’on travaille en poses plus longues.

pile médiane de 600 images

Extrafocal

pile médiane de 600 images

Intrafoca

La dernière ligne du tableau présente la pile médiane obtenue sur la séquence vidéo intra et extra focale. C’est donc l’image débarrassées de la turbulence que nous avons utilisée pour le test.

Le résultat est éloquent, nous avons pu mettre en évidence des défauts sur l’optique, qui amènent à estimer la qualité du miroir à lambda/4.8 rms. Les aberrations présentes sont un fort astigmatisme, une abbération sphérique importante et un résidu de coma.

            L’utilisation de cette caméra permet donc de faire un test de Roddier rapidement directement sur une étoile brillante.

Manip 4 : Essais en « Lucky Imaging » sur les satellites de Jupiter

L’ensemble des images suivantes ont été faites a l’aide d’un Filtre Halpha BP : 13nm

Simulations éphémérides avec le logiciel « Jupiter2 » de Sylvain Rondi

Configuration des satellites de Jupiter au moment du début de l’observation

Europe

Le lucky imaging est une technique utilisée par les professionnels, mais aussi par des amateurs, afin de profiter des « trous de turbulence » pendant lesquels les images sont exemptes de défauts. L’idée est de saisir en vidéo, avec une cadence la plus rapide possible, « l’instant » pendant lequel la turbulence est figée, et la moins déformante possible.

Nous avons vu précédemment que les défauts du miroir du T60 constituaient en soi une limite en termes de résolution accessible avec ce télescope. Nous avons malgré tout tenté l’expérience. Nous avons acquis des séquences vidéos de 2000 à 3000 images, et nous avons ensuite procédé à un tri manuel pour extraire de ces séquences les images les moins perturbées. Les tableaux d’éphémérides (obtenues sur le site de l’IMCCE-Observatoire de Paris) nous donnent pour les trois satellites observés, les données de rayon apparent suivants : Io : 0.5857’’ d’arc, Europe : 0.5013’’ d’arc et Ganymède : 0.8444’’.

Io

L’obtention du diamètre apparent des satellites ne pose aucun problème. Les disques planétaires s’étalent sur une dizaine de pixels. Les images sélectionnées sont rares, et souvent déformées. Il est donc très difficile d’estimer si les détails de surface sont réels ou pas. Nous recherchons actuellement la configuration de Io et de Ganymède pour la date  d’observation. Malgré tout, les meilleures images obtenues sont celle du satellite IO (tableau précédent image de gauche), ainsi que de Ganymède (tableau suivant).

 

Ganymède

Compositage 300 images

Grandissement x4

Les clichés de la deuxième ligne du tableau précédent montrent par comparaison la technique du « shift and add » sur Ganymède, ou l’on voit parfaitement sortir les détails de la surface du satellite.

Manip 5 : Interférométrie des tavelures

 

L’objectif principal de la mission restait la mise en application de la camera Merlin dans la méthode de détermination des positions d’étoiles doubles serrées en interférométrie des tavelures (Speckles interferometry).

Le principe de la méthode est la prise de vue en vidéo rapide d’image à court temps de pose afin de geler la turbulence. On obtient alors des « grappes de raisin » au sein desquelles sont présents les fréquences spatiales les plus élevées (les détails les plus fins) accessibles à l’aide du télescope utilisé. Une reconstruction par un algorithme d’intercorrelation permet alors de restituer le pouvoir séparateur théorique du télescope.

Inter corrélation 600 images sur l’étoile Véga

La difficulté principale est d’obtenir des images de tavelures très contrastées et sous des temps de poses les plus courtes possibles. L’augmentation du contraste passe par un filtrage chromatique étroit.

Dans le montage que nous utilisons, nous employons un filtre interférentiel à bande étroite (13nm de bande passante), absorbant énormément de lumière. La Merlin permet d’obtenir sous faible flux, et avec filtrage, des tavelures extrêmement bien séparées (voir tableau précédent).

Fort de ce constat, nous avons procédé à l’étalonnage de position de la camera en angle et en échantillonnage en utilisant des étoiles doubles de référence (ici les Epsilon Lyre 1 et 2)

WDS NOM usuel

Const

Date Date normalisée Airmass Hauteur Asc.dr. 2000 Dcl. 2000
STF2382AB   Lyr   03/07/2009 03h36 local   2009.592   1.054   +71°33’27’’   18 44 20   +39°40’12  
Sélection d’images brutes

Meilleure image de la séquence obtenue par

« Best of » sous Iris

Cross corrélation sur une séquence de 600 images  

(agrandissement)

 

WDS NOM usuel Const Date Date normalisée Airmass Hauteur Asc.dr. 2000 Dcl. 2000
STF2383Cc-D   Lyr  

03/07/2009

03h48 local

2009.592 1.069   +69°16’36’’   18 44 23   +39°36’47  
Sélection d’images brutes
Meilleure image de la séquence obtenue par « Best of » sous Iris

Calibration échantillonnage Calibration angulaire
Epsilon/pixels=0.062’’  

Angle méridien à l’horizontale

Delta=91°7  

Une fois la calibration effectuée, ne restait plus qu’à faire des mesures de doubles serrées. Une vingtaine d’étoiles ont été étudiées pendant la mission, nous présentons ici l’exemple de traitement appliqué sur l’une d’entre elles.

  Mesure sur une orbite serrée l’étoile STF1865AB

 

WDS NOM usuel Const Date Date normalisée Airmass Hauteur Asc.dr. 2000 Dcl. 2000
STF1865AB   Lyr   04/07/2009 00h03 local   2009.594   1.3146   +49°27’28’’   14 41 09   +13°43’42  
Cross corrélation sur une séquence de 1200 images  (agrandissement)

Mesure de l’écartement (‘’ d’arc)

Rho = 0.622 "

Mesure de l’angle (°)

Thêta = 291.94  

La commande de cross-corrélation permet de faire apparaître des pics dont la position et l’écartement au centre du cliché correspondent à la position et à l’écartement des composantes du couple d’étoiles doubles. La mesure est alors triviale.

Pour confirmer la position de l’étoile par rapport à son orbite déterminée par les professionnels, nous avons récupéré les données orbitales théoriques et les points de mesures connus sur cette étoile.  La position mesurée est marquée par le petit carré vert. On voit que la corrélation en position est parfaitement cohérente avec le modèle théorique.

 

Auteur

 P

 n

 T

 a

 e

 i

 o

 w

WIERZBINSKI 1954

123.44

2.9164

1897.59

0.595

0.957

142

129.99

1.47

 

STARIKOVA 1980

127.7

2.8191

1897.92

0.638

0.971

147.43

161.55

37.40

 

Conclusion :

Nous avons montré que la caméra EMCCD modèle Merlin EC247 de la société Raptor Photonics au vue de sa sensibilité et de sa cadence vidéo, est parfaitement adaptée aux expériences suivantes :

-         Occultations d’étoiles par des astéroïdes mag limite 15.7, la précision de datation reste à affiner

-         Lucky imaging de surfaces satellitaires joviennes

-         Contrôles optiques à faible flux (caractérisation de télescope sur site, test de Roddier)

-         Interférométrie des tavelures sur étoiles doubles serrées et filtrage étroit.

Pour définir les limites d’utilisation de cette camera, il serait utile de poursuivre des tests plus poussés en terme de caractéristiques propre (poses ultra courtes, bruit de lecture, cadence vidéo réelle, etc.). La seule critique restant toutefois sur la partie logicielle, sur laquelle des améliorations seraient fortement souhaitables

 

Paris le 21/10/2009

B.TREGON