« Facebook friends » avec les étoiles William TOBIN

« Facebook friends » avec les étoilesWilliam TOBIN

ex University of Canterbury, Nouvelle-Zélande

Christchurch

Mt John

AMA09 – Cérémonies d’ouverture(UNESCO, Paris, janvier)

Vidéos (en anglais) : http://ama09.obspm.fr/open.php

1609 – Galilée tourne sa lunette vers le ciel – Kepler publie 2 de ses 3 lois sur le mouvement planétaire

Mais de nombreux délégués ont expriméun troisième voeu :

... que l’astronomie puisse être un vecteurde paix.

( 2009 – Année mondiale de la réconciliation )

L’astronomie est entrée dans l’ère modernequand l’oeil a été remplacé par les plaquesphotographiques

Foucault et Fizeaudaguerréotype du soleil (1845)

25 avril 1862

Dessin fait avec letélescope de

Foucault, 1862

Image CCDmoderne faite avecle Canada-France-Hawaii Telescope

Le plus grand télescope construit par Foucault (miroir en verre argenté de 80 cm dediamètre, 1862)

LHC – Large Hadron Collider (CERN, Genève) Détecteur ATLAS

7.000 tonnes !

CoRoT-Exo-7b

Uneorbite~ 20 h

4 sur 10.000 !

Les capteurs qui enregistrent l’image sont quatre CCDs

(Charge-Coupled Devices)

(pas de résolutiondans les images

des étoiles)

Le télescope formeune image de l’étoilesur le plan focal

CCDs

capteursCMOS

télescopes appareils numériques

webcams portables

Un peu de physique (1)

La dualité onde-particule pour la lumière

Energie d’un photon = -----h cλ

constante de Planck vitesse de la lumière

longeur d’onde de la lumière

Énergie ( bleu ) > Énergie ( rouge) > Énergie ( infra-rouge )

λ = 400 nm 700 nm 1100 nm / 1.1 μm

Un peu de physique (2)Dans un atome, les électrons ne peuvent avoirque les énergies particulières permises par la mécanique quantique.

par ex. hydrogène

éner

gie

1 électron Volt ( 1 eV ) ≡ 1,6 x 10⁻¹⁹ J

Un peu de physique (2bis)Dans les solides, les niveaux d’énergie deviennent des bandes. Si les électrons sont dans la bande de valence, ils restent attachés à l’atome mère.S’ils arrivent dans la bande de conduction, ils sontlibres de se déplacer, et peuvent former un courant éléctrique.

Un peu de physique (2ter)Un semi-conducteur pur : le silicium

Un semi-conducteur dopé

porteurs de charge majoritaires : électrons trousporteurs de charge minoritaires : trous électrons

électrons

trous

Le courant est porté par les électrons et les trous

N.B. 1.09 eV ↝ 1.1 μm

Principe de détection de la lumière par un CCD

+Fabrication :~nM metalO oxideS semiconductorphoton −

1 photon 1 électron + 1 trou

Déplacementde la chargeaccumulée

+ +

+ + + +

+ +

+ +

− − −

−

−

− − −

+ +

Le premier CCD, 1969(conçu comme mémoire d’ordinateur !)

Structure à 2 dimensions

Structure à 2 dimensions

WillardBOYLE

GeorgeSMITH

Bell Laboratories, Murray Hill, NJ (c. 1975)

1969

Structure à 2 dimensions

Convertisseuranalogue-à-digital

Ordinateur

Linéarité et Efficacité quantique Les deux propriétés qui font des CCDs

des détecteurs si redoutables

E.Q. = -----------------------Nombre d’électrons

Nombre de photons1 photon 1 électron + 1 trou

1.1 μm ↝ 1.09 eV

C.f. Plaque photographique : E.Q. = 1 - 2 % !

( 1988 )

Les plus grands télescopes du mondeseulement 2 construits dans les années 80

Téléscope Ouverture (m)

Date

Large Binocular Telescope 8.4/11.2 m

2007

Gran Telescopio Canarias 10.4 2006

Keck 1 & 2 10 1993, 96

SALT ≡9.2 2005

HET 9.2 1997

Subaru 8.3 1999

VLT 1-4 8.2 1999-2001

Gemini N & S 8.1 1999, 2001

Magellan 1 & 2 6.5 2000, 02

Zelenchuksaya 6.0 1976

LZT 6.0 2003

Hale Telescope 5.08 1948

Téléscope Ouverture (m)

Date

MMT ≡4.5 2007

Wm Herschel Telescope 4.2 1987

SOAR 4.1 2002

CTIO Victor Blanco 4.0 1976

LAMOST 4.0 2008

AAT 3.9 1975

Mayall Telescope 3.8 1973

UKIRT 3.8 1978

AEOS 3.7 1996

NTT 3.6 1989

CFHT 3.6 1979

ESO 3.6m 3.6 1976

MPI-CAHA 3.5 1984

USAF Starfire 3.5 1994

Mt John University Observatory :systèmes CCD

pixels coût de la E.Q. amélio- puce max ration

1988 384 x 576 US$ 5,000 40 % [ 1 ] 1996 1024 x 1024 US$ 10,000 73 % 9x2005 4096 x 4096 US$ 50,000 90 % 170x

ObturationEn astronomie, généralement unobturateur mécanique

perte de 50 % de

l’efficacitéquantique !

Sans éléments mobiles

Limite devision de

l’oeil

Télécommande

Avec filtre infra-rouge Sans filtre infra-rouge

Les couleurs

Pour les usages quotidiens On intègre des filtres R G B sur la puce + un filtre infra-rouge externe pour limiter les ailes de transmission rouges (particulièrement pour R)

mosaïque de Bayer

Les couleursPour l’astronomie Des filtres externes, l’un après l’autre, si nécessaire

bleu + vert + rouge

couleur !

Un luxe de détails pratiquesUn semi-conducteur pur

électrons

trous

Les électrons venant de l’agitation thermique et ceux libérés par des photons sont tous deux capturés par le CCD

pour de longues poses, il faut refroidir le CCD

CCD

azoteliquide( 77K )

( CoRoT −40 degC )

Peu de sensitivité dans le bleu... ... le silicium est absorbant

couvrir le CCD avec du phosphore ... ou l’amincir

Le ciel est grand (42.000 deg²) donc il faut de grands détecteurs... ... mais les grandes puces sont difficile à fabriquer sans défauts, et elles ne peuvent pas être plus grandes que les tiges de silicium utilisées pour la fabrication des circuits intégrés intégrés

Les CCDs de 6 cm x 6 cm coûtent 50.000 US$ car peu sont fabriqués sans défauts, et par la suite beaucoup sont cassés pendant l’amincissement

Solution : faire des mosaïques

Canada-France-Hawaii Telescope

Et il faut beaucoup de capacité informatiquepour stocker et traiter les enregistrements

Les détecteurs CMOS

La même physique de détection de la lumière, et : - les pixels peuvent être lus individuellement - une fabrication par les procédés CMOS - ils utilisent beaucoup moins de puissance électriquemais : - une moindre efficacité quantique - plus de « bruit »

donc les CCDs vont perdurer en astronomie

CCD

CMOS

Images saturées

1975 – Uranus,la première image CCDastronomique

2004 – M17 (VeryLarge

Telescope,Chili)

CoRoT-Exo-4b

( 3b )

FIN