Coronographes

Coronographie* : art d'éliminer de façon ciblée la lumière d'une source éblouissante afin de sonder son environnement proche.
Le mot est forgé sur le nom latin corona qui signifie couronne : celle du soleil observée par Bernard Lyot qui inventa cette technique.

Le principe

Pour éteindre l’étoile sans éteindre la planète, mais cette fois en ne considérant qu'un télescope unique, une solution apparemment toute simple consiste à placer un masque opaque au foyer du télescope, à la position de l'étoile, suffisamment petit pour que la lumière de la planète ne soit pas bloquée. En réalité si on ne prenait pas plus de précaution, cette technique n'apporterait pas un grand gain, comme Bernard Lyot l'a montré dans les années 30 en inventant le coronographe. Il faut également placer un diaphragme dans une image de la pupille, c'est à dire du miroir du télescope.

Si on suit les préceptes de Lyot, mais de façon plus sophistiquée, par exemple en utilisant un masque de phase qui bien que transparent bloque pourtant très efficacement la lumière de l'étoile, on arrive aujourd'hui à des performances assez remarquables.

Pourquoi masquer l'étoile

La figure de diffraction d'une pupille circulaire possède des pieds qui s'étendent à l'infini suivant une loi en r^-3 : les fluctuations statistiques (le bruit de photon) de ces pieds sont très supérieures à l'éclat de la planète.

Le bruit de tavelures (speckle) est important : lumière diffractée par ouverture, poussières + défauts de phase ( atmosphère, optique, ...)

1 Terre est équivalente à 1 speckle produit par un défaut de phase de … 2 picomètres !!!

Le coronographe à masque de phase à quatre quadrants

C'est également un produit de l'optique diophantienne.
Le principe est de placer un masque constitué de quatre pavés transparent juxtaposés (les quadrants) dont deux opposés diagonalement sont un peu plus épais que les deux autres.

En fait cette surépaisseur est telle que la différence de marche optique introduite vaut λ/2. On montre qu'alors la lumière d'une source dont l'image est exactement formée sur sur l'axe du masque, est totalement rejetée en dehors de l'image de la pupille. Il suffit de disposer un diaphragme de Lyot pour la faire disparaître complètement (en théorie). Le schéma ci-dessous décrit les différents éléments d'un tel montage coronographique et les images dans les plans intermédiaires.

On peut également considérer des coronographes similaires à 2ⁿ quadrants : ils sont encore plus efficaces pour rejeter la lumière de l'étoile, mais bien sûr la surface disponible pour placer une planète à détecter est plus réduite puisque cette dernière ne doit pas tomber sur une frontière entre quadrants.

Le chromatisme

Parmi les difficultés à surmonter pour réaliser un coronographe efficace, il y a la question de son achromaticité, c'est à dire sa capacité à fonctionner de la même façon sur une grande plage de longueurs d'onde. Or l'éclat d'une exoplanète est tellement faible qu'on doit chercher à la détecter dans une bande spectrale la plus large possible.
Le coronographe à quatre ou à 2ⁿ quadrants est par construction chromatique puisque l'épaisseur des marches est fixée par la longueur d'onde.
L’optique diophantienne peut cependant apporter une réponse originale à l'achromatisation partielle de ce dispositif.

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