Avec le eShel III, repoussons les limites

eShel III en quelques mots

Le spectroscope eShel III est l’un des instruments majeurs de la gamme de Shelyak Instruments. C’est la troisième génération de cet instrument qui allie la haute résolution et une grande étendue spectrale.

Cet instrument a deux caractéristiques particulières.

D’abord, c’est un spectroscope basé sur un réseau Echelle, qui travaille à des ordres très élevés. C’est ce qui lui confère sa haute résolution, malgré un nombre de traits par millimètre relativement modeste. Ces ordres sont dispersés par un prisme (appelé le disperseur croisé), orthogonalement à la direction de la première dispersion. C’est cette configuration optique très astucieuse (les opticiens sont des inventeurs incroyables) qui donne l’image caractéristique d’un spectro Echelle (cf fig. X), avec de nombreux ordres qui se lisent comme les lignes d’un livre (la fin d’une ligne se poursuite sur la ligne suivante).

Ensuite, le spectroscope eShel III est un instrument à fibre optique. C’est à dire que le spectro lui-même est fixe. La lumière est collectée par une bonnette de guidage (FIGU) montée sur le télescope, envoyée dans une fibre optique dont l’autre extrémité sert de source de lumière au spectro. L’avantage majeur de cette solution est que le spectroscope est déconnecté du télescope et reste fixe, généralement dans un local à proximité du télescope. Il ne subit donc aucune flexion lors des mouvements sur le ciel, ce qui assure une grande stabilité aux observations (c’est un point critique en particulier quand on recherche une grande précision de calibration en longueur d’onde). En général, la pièce dans laquelle est installée le spectro a de faibles variations de température, en comparaison de la température dans la coupole ; et cela apporte une stabilité supplémentaire.

La nouveauté du eShel III : un objectif optimisé

Le cas du eShel est emblématique des progrès réalisés au cours du temps sur nos instruments. La première génération du eShel était uniquement composée d’éléments standards : le doublet collimateur, le prisme, l’objectif étaient des composants trouvés « sur étagère ». Et puis au cours du temps, on a optimisé les différents éléments : avec le eShel II, le doublet collimateur et le prisme ont été améliorés et réalisés sur nos spécifications.

Le eShel III franchit un cap qui nous semblait impossible il y a encore quelques années : il intègre un objectif calculé spécifiquement pour cette application. Cela permet des améliorations sensibles, au-delà de nos espérances initiales. La focale est optimisée pour occuper au mieux le capteur retenu pour le eShel III (IMX571). Le diamètre des lentilles est optimal pour annuler quasi-totalement le vignettage (pas de perte de lumière, même dans les extrémités des ordres extrêmes). Et surtout, la gestion du chromatisme (ainsi que le traitement anti-réflexion) est optimisée pour étendre encore les ordres exploitables.

Vous avez probablement constaté que la caméra du eShel III est inclinée (d’environ 15°) par rapport à l’axe de l’objectif. C’est l’effet le plus visible de la gestion du chromatisme* (*note : le chromatisme est une aberration optique qui fait que toutes les couleurs ne sont pas focalisées dans le même plan).

Comme dans une image eShel les ordres rouges sont d’un côté du capteur et les ordres bleu de l’autre, on peut utiliser cette inclinaison pour corriger le chromatisme. C’est clairement cet angle de la caméra qui permet de gagner plusieurs ordres dans le rouge et dans le bleu.

On pourrait penser que gagner quelques ordres dans le rouge et le bleu est anecdotique sur le plan scientifique. C’est en fait beaucoup plus important que ça : le bleu et le proche UV sont le domaine des hautes énergies (novae & supernovae, étoiles cataclysmiques, explosion et chocs). A l’opposé, le rouge et le proche IR sont le domaine de la matière froide (matière interstellaire, comètes, nébuleuses). Le domaine visible tel qu’on le connaît sur terre est fortement lié au domaine d’émission du Soleil. Etendre les observations dans le bleu (UV) et le rouge (IR), c’est fortement étendre les domaines d’études des autres objets de l’univers.

Pour la petite histoire, ce qui nous a poussé à créer ce nouvel objectif est l’obsolescence annoncée de l’objectif jusque-là utilisé sur le eShel II. De fait, la plupart des fabricants d’optiques photos retirent de leurs catalogues les objectifs à focale fixe ; justement ceux dont on a besoin pour la meilleure performance en spectro. C’est donc un mal pour un bien : on a maintenant une performance sensiblement meilleure, parce qu’optimisée pour notre application précise.

Deux versions : manuelle et motorisée

Nous avons profité de cette maîtrise complète de l’objectif pour en proposer deux versions mécaniques. La première est manuelle (comme l’était le eShel II), la seconde est motorisée. Ces deux versions correspondent à des usages bien distincts

Si vous observez à côté du télescope, la version manuelle est probablement la plus adaptée (image de gauche). Le réglage de mise au point est fait en tournant la bague de l’objectif. Notez simplement ici que la bague de focalisation est sensiblement plus douce que celle du eShel II ; il est plus facile de faire une focalisation très précise. Bien entendu, cette version est aussi la moins onéreuse.

Si vous travaillez à distance (que ce soit à quelques mètres du télescope ou à des milliers de kilomètres – le cas est de plus en plus courant – alors la version motorisée aura votre préférence. Vous pourrez alors faire une mise au point fine au travers de votre ordinateur. Nous avons fait le choix d’un focuser PrimaLuceLab qui est non seulement très précis, mais qui peut être contrôlé de multiples manières (USB, wifi, ethernet, ASCOM ou INDI…)

Mise à jour de eShel II vers eShel III

C’est un point qui nous tient à coeur : si vous avez déjà un eShel II, vous pouvez facilement le transformer en eShel III, par un simple changement de m’objectif. Si vous êtes dans ce cas, nous avons prévu des références produit qui ne portent que sur l’objectif – dans les deux versions évidemment (manuelle ou motorisée).

Le changement d’objectif est simple, Vous avez tous les détails dans cette documentation.

Une nouvelle version de Demetra pour accompagner les performances nouvelles.

Produire des images de spectre Echelle est une chose… traiter ces données est bien mieux ! Le logiciel Demetra peut vous accompagner dans l’exploitation de votre eShel III, depuis l’acquisition des spectres jusqu’à la réduction, de données ; il peut donc produire des spectres exploitables scientifiquement, débarrassés de tous les effets instrumentaux, et calibrés aussi bien en longueur d’onde qu’en intensité relative.

L’annonce du eShel III s’accompagne d’une nouvelle version de Demetra (le version 9), pour prendre en compte les ordres extrêmes. Avec cette version de Demetra, vous pourrez traiter les ordres 27 à 59, soit un domaine de longueurs d’ondes compris entre 379 à 853 nm.

De toute évidence, les images eShel III offrent quelques ordres exploitables supplémentaires (disons de 22 à 62, soit 360 à 1.000 nm). Mais la méthode d’étalonnage en longueur d’onde utilisée par Demetra (qui s’appuie sur une lampe au Thorium) montre là ses limites : il n’y a plus assez de raies du Thorium dans ces ordres extrêmes ! Nous avons quelques pistes à explorer pour contourner ces limites et étendre encore les possibilités du eShel III, mais ça prendra un peu de temps.

Notez que les images produites par le eShel III et Demetra sont parfaitement standards (format FITS), et donc vous pouvez utiliser ces images pour les traiter avec vos propres outils.

Un premier exemplaire installé à l’OHP (télescope de 1m)

C’est pour nous une grande joie et une grande fierté : le premier exemplaire commercial du eShel III a été installé à l’Observatoire de Haute Provence (OHP) sur un télescope de 1m de diamètre, avec pour objectif premier la formation des étudiants.

L’OHP est l’observatoire où a été découverte la première exoplanète par Michel Mayor et Didier Queloz en 1995 (cette découverte leur a valu le Prix Nobel de Physique en 2019). Mais c’est également à l’OHP que nous avons organisé chaque été la « Spectro Star Party », rencontre entre astronomes amateurs (avec toujours quelques professionnels) autour de la spectroscopie. Une rencontre magique qui nous a apporté de nombreux et merveilleux souvenirs.