L Advanced Technology Solar Telescope Frédéric Paletou 1 Observatoire de la Côte d Azur Département G.D. Cassini 06304 Nice Cédex 4 paletou@obs-nice.fr Le projet ATST (atst.nso.edu) est mené par le National Solar Observatory américain au sein d un consortium regroupant maintenant 22 institutions nord-américaines (dont HAO/NCAR, l IfA/Hawaii, le CfA/Harvard, la NASA, etc...). C est le seul projet de très grand télescope solaire prévu pour la décennie à venir ; les opérations scientifiques devraient en effet commencer avant 2012. En réponse à une sollicitation américaine, une initiative européenne se prépare afin que nos communautés puissent se joindre à ce qui constituerait alors l un des grands projets internationaux de l astronomie. 1 Spécifications générales L ATST va permettre d effectuer un saut significatif en terme d ouverture pour un télescope solaire ; en effet, alors que la classe des 1 m démarre à peine son exploitation scientifique (THÉMIS et la NSST suédoise, puis 1.5 m avec GREGOR vers 2005), l ATST aura une ouverture de 4 m. Ceci a deux objectifs principaux : la haute résolution angulaire (HRA) avec un objectif d une résolution angulaire meilleure que 0.1 arcsec dans le domaine visible ; ceci repose aussi sur le bon développement de l optique adaptative (O.A.) domaine dans lequel NSO a déjà une bonne expérience avec la Dunn Solar Tower (DST) à Sac Peak ; la collection massive de photons : pour atteindre la sensibilité polarimétrique demandée par les programmes de magnétométrie vecteur à haute résolution angulaire, mais aussi pour satisfaire les programmes demandant de la très haute sensibilité polarimétrique à résolution angulaire modérée voire faible (e.g., le second spectre solaire et l étude du magnétisme solaire faible, en général). Le gain en cadence temporelle sera aussi significatif, et très prometteur pour les études de la dynamique atmosphérique à grande échelle. Le miroir primaire sera sans obstruction centrale (soit une PSF propre ) et super-poli pour permettre également des observations coronales (protubérances et couronne chaude ) de bonne qualité ; le collecteur principal sera hors d axe pour des questions de thermique, de contrôle de la lumière diffusée et d encombrement, supporté par une monture altazimutale. Néanmoins, ce type de dispositif, faiblement polarisant, sera rigoureusement calibré dans la mesure où la qualité polarimétrique des données constitue aussi l un des objectifs prioritaires de l ATST, au même titre que la HRA solaire. 1 en collaboration avec : Guillaume Aulanier, Arturo López Ariste, Guillaume Molodij et Thierry Roudier 1
Le contrôle de la lumière diffusée est une préoccupation majeure dans le cadre du développement technique de l ATST ; cela va plus loin que la qualité des optiques (e.g., polissage et rugosité), et pose aussi les problèmes des procédures de nettoyage, de réaluminure (terme probablement impropre car d autres traitements de surface sont envisagés avec un pouvoir de réflexion optimal dans une bande spectrale très large), ainsi que de choix du site. L ATST sera aussi un télescope ouvert ; ceci doit permettre une couverture spectrale très large de 0.3 à 35 microns. La grande originalité de ce concept sera sans doute l ouverture vers l IR thermique, au delà de 5 µm. À ces longueurs d ondes, la sensibilité des raies spectrales au champ magnétique est très importante 2, et les hauteurs de formation permettent des diagnostics de l atmosphère et du magnétisme parfaitement complémentaires à ceux permis par les observations dans le visible et dans l IR proche. Dans toute cette bande spectrale la polarimétrie à haute précision sera omniprésente. Ainsi plusieurs polarimètres sont déjà envisagés ou à l étude : pour le visible, avec une extension possible à l IR proche, un polarimètre du type DLSP (NSO/HAO i.e., l évolution de l ASP associé à l O.A. de la DST) dont le PI est Steve Tomczyk (HAO) ; pour l IR proche, un polarimètre à cristaux liquides vraisemblablement (PI : Haosheng Lin, IfA/Hawaii) ; pour l IR thermique, un instrument spécifique sera aussi développé (PI : Don Jennings, NASA/NSO-KP) ; pour l UV, il pourrait être question d un polarimètre de type ZIMPOL (Zürich IMaging POLarimeter) soit un modulateur très rapide associé à un détecteur spécifique (cf. Gandorfer & Povel 1997). À l image de THÉMIS, la spectropolarimétrie multiraie est aussi un objectif important de l instrument. Le polarimètre visible (+ IR proche) doit être capable d observer simultanément entre 3 et 5 domaines spectraux ; pour comparaison, THÉMIS est capable d observer jusqu à 10 domaines spectraux simultanément. Il n est toutefois pas encore clair si l utilisation simultanée de plusieurs polarimètres dans des domaines spectraux très différents sera ou non possible. Se posent alors le problème technique d utiliser deux polarimètres distincts, en parallèle, avec leurs détecteurs spécifiques, ou bien encore le problème de l achromatisme de l analyse. L imagerie grand champ est aussi envisagée avec l ATST ; en effet, les spécifications initiales de l instrument prévoient un champ spatial de 5 arcmin. Cela sera très intéressant pour l étude de la dynamique atmosphérique à grand échelle (e.g., granulation, évolution des régions actives et éruptions). Le site n est pas encore choisi ; cependant à l issue de la dernière réunion de Tucson (Oct. 2002) il a été demandé que le nombre de candidats soit rapidement limité à deux ou trois (maxi.), d ici à l automne 2003. Il est important de prendre en compte le fait qu à part cinq sites nord-américains (quatre aux USA, un au Mexique), le site européen du Roque de los Muchachos à La Palma (Iles Canaries) est très sérieusement considéré ; l IAC a déjà mis en œuvre une étude de site sur place (PI : Manolo Collados). 2 sur la raie de Mg i à 12 µm l élargissement Zeeman est complètement résolu sous l action d un champ magnétique de quelques centaines de Gauss 2
2 Nos atouts et nos compétences L implication de la communauté française dans le cadre du projet ATST et de son exploitation scientifique future peut tout aussi bien se manifester à travers des programmes d observations, du traitement et de l exploitation scientifique des données, ainsi que de l instrumentation et de la technologie. 2.1 Programmes scientifiques En ce qui concerne les programmes scientifiques, notre communauté est déjà présente sur les thèmes suivants : l imagerie à haute résolution angulaire et l étude des mouvements de plasma associés aux concentrations magnétiques à petite échelle (OMP) ; la dynamique des régions actives et l étude des éruptions via les signaux de polarisation par impact (LESIA) ; le diagnostic du magnétisme solaire à partir de mesures spectropolarimétriques à haute sensibilité ; il s agit en particulier de la polarisation de résonance et de l effet Hanle, ainsi que du prometteur diagnostic à partir de la structure hyperfine de certaines raies spectrales (e.g., Bommier & Molodij 2002, Trujillo Bueno et al. 2001, López Ariste et al. 2002) ; la mesure du champ magnétique dans les protubérances solaires ; c est un domaine en plein renouveau, notamment grâce aux récentes mesures faites à THÉMIS (Paletou et al. 2001, Paletou & Aulanier 2003). La mesure directe du champ magnétique coronal constitue l un des domaines les plus prometteurs faisant partie des nombreux objectifs scientifiques de l ATST. À terme nous envisageons également d étudier ainsi l environnement immédiat des protubérances, ou encore la topologie du champ magnétique au dessus de régions actives (e.g., Lin et al. 2000). De façon plus générale, quelque soit l évolution de THÉMIS dans les années à venir, le principe de tube évacuable fermé par des lames de verre limitera la bande spectrale permise aux observations ; ainsi, envisager d accéder à l infra-rouge au delà de 2 µm passe nécessairement par l utilisation d un autre instrument. 2.2 Traitement et exploitation des données En ce qui concerne l exploitation des données d observation, on peut citer les trois thèmes suivants : les techniques speckle et de déconvolution d images originaires d optique adaptative (UNSA, Nice) ; l inversion de données spectropolarimétriques ; A. López Ariste (LESIA) a une expertise reconnue dans le domaine de l inversion de donnée à base de la méthode PCA (Principal Component Analysis ; cf. López Ariste et al. 2001) ; l extrapolation du champ magnétique à partir de mesures photosphériques (cf. la base FROMAGE au LESIA @ http://www.solaire.obspm.fr/fromage/) ; 3
qui constituent des savoir-faire déjà acquis ne demandant qu à être confrontés à un flux important de nouvelles données de qualité. Du point de vue du diagnostic et de la modélisation, notre communauté est également bien présente sur la scène internationale, aussi bien dans le domaine de la MHD (LESIA, IAS, OCA) que du transfert de rayonnement, polarisé ou non (OP, IAS, OCA, UNSA et OMP) ; il faut aussi mentionner la contribution du LERMA en physique atomique appliquée à l astrophysique (e.g., collisions). Enfin, les expériences de MEDOC et de BASS 2000 pourraient être valorisées dans le cadre d une collaboration formelle avec le consortium américain promoteur de l ATST. 2.3 Instrumentation et technologie À l heure actuelle des contacts sont établis avec quatre industriels au sujet de l étude de faisabilité du polissage et du contrôle thermique du miroir primaire hors d axe ; comptetenu de son expérience dans la confection de grandes optiques pour l astronomie (en particulier, la fabrication du primaire de 1 m super-poli de THÉMIS) SAGEM-REOSC fait partie de ceux-ci. Dans le domaine de l optique adaptative, une solution originale a été récemment proposée pour le cas solaire, dans le visible (Molodij et al. 2002) ; il est en particulier mentionné la possibilité de pouvoir corriger le front d onde à partir d images autres que celles de la granulation (e.g., la pénombre d une tache). Compte-tenu de la couverture spectrale disponible, il est a priori envisageable de faire valoir l expérience dans les optiques d analyse dites superachromatiques développées à l Observatoire de Paris (polarimètre Semel au DASOP puis maintenant au LESIA) et à l Observatoire Midi-Pyrénées (avec ESPaDOnS pour le CFHT puis NARVAL pour le TBL) pour la spectropolarimétrie solaire et stellaire. Enfin, le projet CALAS (PI : Nadège Meunier) d imagerie grand champ à la coupole tourelle du Pic du Midi devrait aboutir vers 2005 ; ce projet fait appel à un détecteur de grandes dimensions utilisant la technologie CMOS dont le principal avantage par rapport aux CCDs réside dans la rapidité de lecture. L expérience de l équipe de l OMP/Tarbes qui sera acquise lors de la mise en œuvre de cette technologie pourrait donc être utilisée dans le cadre d une participation au développement de l ATST. Bibliographie [1] Bommier V., Molodij G., 2002, A&A 381, 241 [2] Gandorfer A.M., Povel H.P., 1997, A&A 328, 381 [3] Jennings D.E., Deming D., McCabe G., Sada P.V., Moran T., 2002, ApJ 568, 1043 [4] Lin H., Penn M.J., Tomczyk S., 2000, ApJ 541, L83 [5] López Ariste A., Tomczyk S., Casini R., 2002, ApJ 580, 519 [6] López Ariste A., Rees D.E., Socas-Navarro H., Lites B.W., 2001, SPIE 4477, 96 [7] Molodij G., Roddier F., Kupke R., Mickey D. L., 2002, Solar Phys. 206, 189 [8] Paletou F., Aulanier G., 2003, in Current theoretical models and future high resolution solar observations: preparing for ATST, ASP Conf. Ser. 286, 45 [9] Paletou F., López Ariste A., Bommier V., Semel M., 2001, A&A 375, L39 4
[10] Trujillo Bueno J., Collados M., Paletou F., Molodij G., 2001, in Advanced Solar Polarimetry - Theory, Observation, and Instrumentation, M. Sigwarth (Ed.), ASP Conf. Series 236, 151 3 Liste de soutien au projet Aime, Claude Université de Nice Sophia Antipolis Amari, Tahar Ecole Polytechnique, CPhT Arnaud, Jean Observatoire Midi-Pyrénées Aulanier, Guillaume Observatoire de Paris Baudin, Frédéric Institut d Astrophysique Spatiale Bocchialini, Karine Institut d Astrophysique Spatiale Bommier, Véronique Observatoire de Paris Chambe, Gilbert Observatoire de Paris Corbard, Thierry Observatoire de la Côte d Azur (Février 2003) Démoulin, Pascal Observatoire de Paris Donati, Jean-François Observatoire Midi-Pyrénées Faurobert, Marianne Université de Nice Sophia Antipolis Feautrier, Nicole Observatoire de Paris Frisch, Hélène Observatoire de la Côte d Azur Grec, Gérard Observatoire de la Côte d Azur Koutchmy, Serge Institut d Astrophysique de Paris Leroy, Jean-Louis Observatoire Midi-Pyrénées López Ariste, Arturo Observatoire de Paris Malherbe, Jean-Marie Observatoire de Paris Mein, Pierre Observatoire de Paris Meunier, Nadège Observatoire Midi-Pyrénées Molodij, Guillaume Observatoire de Paris Mouradian, Zadig Observatoire de Paris Muller, Richard Observatoire Midi-Pyrénées Noens, Jacques-Clair Observatoire Midi-Pyrénées Paletou, Frédéric Observatoire Midi-Pyrénées (Juillet 2003) Rieutord, Michel Observatoire Midi-Pyrénées Roudier, Thierry Observatoire Midi-Pyrénées Semel, Meir Observatoire de Paris Vial, Jean-Claude Institut d Astrophysique Spatiale 5