Spectro polarimétrie au Pic du Midi : le « second spectre solaire »

L’Observatoire de Paris a mis en place au début des années 1980 un spectrographe de 8 m de distance focale sur la lunette « tourelle » de 50 cm du Pic du Midi. Ce spectrographe possède une transmission élevée dans le bleu du spectre. Dans ce domaine, certaines raies du « second spectre solaire », ou raies observées près du limbe en polarisation linéaire, sont les plus polarisées. En 2004, un polarimètre a été couplé à ce dispositif pour le transformer en spectro polarimètre.

Pic du Midi de Bigorre

Vue générale du Pic du Midi, avec à droite (côté Est) la lunette « tourelle »

Coupole

L’objectif de 50 cm est rejeté vers l’avant de la coupole, qui est hermétique, lui donnant l’aspect d’une « tourelle », dans le but d’optimiser la qualité d’image. Le principe de coupole fermée a été repris au Télescope Bernard Lyot et à THEMIS.

Intérieur

Vue intérieure de la coupole : le spectrographe est porté par la lunette

A - Programme scientifique

Il s’agit au travers de l’effet Hanle (dépolarisation et rotation du plan de polarisation des raies polarisées au limbe par diffusion résonante en présence de champ magnétique) de mener à bien des diagnostics délicats sur les champs magnétiques faibles et turbulents du Soleil calme, dans la photosphère et dans la chromosphère. Nos observations se concentrent dans le domaine bleu du spectre qui est peu ou mal accessible sur de nombreux instruments, ainsi que sur les aspects liés à la haute résolution spatiale.

- Variation centre bord des raies photosphériques et chromosphériques

A partir d’observations menées dans une fourchette de distance au limbe solaire variant de 0 à 80 secondes de degré, nous cherchons un profil de variation des champs faibles (quelques dizaines de Gauss) en fonction de l’altitude. Ces champs magnétiques sont soupçonnés être présents partout sous la surface du Soleil calme, mais sont indétectables par les magnétographes classiques utilisant l’effet Zeeman. La variation de polarisation entre le centre et le bord de la surface solaire (variation centre/bord) correspond à une variation avec la profondeur dans l’atmosphère. Les raies candidates sont SrI 4607, BaII 4554, CaI 4227, SrI 4078 (longueur d’onde en Angströms).

- Le « second spectre éclair »

Nous avons commencé à examiner le comportement de certaines raies, de part et d’autre du limbe solaire. Les fluctuations de polarisation sont fortes, et font apparaître ce que nous baptisons le « second spectre éclair ». Certaines raies spectrales qui présentent une dépolarisation par rapport au continu deviennent polarisées au limbe même, c’est à dire qu’on passe d’une sorte de « spectre d’absorption en polarisation » à un « spectre d’émission ». Ce phénomène fugitif n’a lieu que pour certaines raies dans un intervalle de quelques secondes de degré seulement. Une bonne qualité d’image est indispensable pour étudier ce processus.

- Variations spatiales du second spectre solaire à haute résolution

Au Pic du Midi, la qualité d’image permet d’envisager l’étude de la variation de la polarisation dans les structures du Soleil calme : espaces intergranulaires, granules, régions faculaires, etc… Une très bonne résolution spatiale est nécessaire, en raison de la diminution drastique des contrastes et de l’anamorphose des structures au voisinage du limbe. Il faut pouvoir séparer l’effet l’effet Hanle de l’effet Zeeman. En effet, on trouve dans les espaces intergranulaires des tubes de flux minces et intenses (kilo Gauss) qui ont une signature Zeeman correspondant à des champs concentrés mais dilués car non spatialement résolus, au milieu de champs faibles et turbulents prenant toutes les orientations possibles. Ce programme est mené essentiellement sur SrI 4607 dont la polarisation reste suffisamment forte à 40 ou 60 secondes de degré du limbe solaire.

– Effet Hanle différentiel

L’effet Hanle différentiel est une technique qui permet des mesures absolues de champs magnétiques sans faire référence à une mesure hors champ magnétique (c’est-à-dire une région de champ nul) nécessaire pour estimer la dépolarisation d’une même raie. On observe simultanément plusieurs raies formées dans les mêmes conditions (température, densité, altitude). L’inter comparaison de ces raies, lorsqu’elles sont sensibles de façon différente à l’effet Hanle, permet d’en déduire le champ magnétique. Certaines raies moléculaires, comme C₂, sont de bonnes candidates.

Toutes ces observations ont des contreparties en physique atomique puisqu’elles permettent d’améliorer la connaissance des nombreux mécanismes physiques qui interviennent dans la polarisation du rayonnement.

B - Programme instrumental 

Le dispositif de mesure polarimétrique est en cours d’amélioration pour l’amener au meilleur niveau, soit « Stokes complet » avec mesure de tous les paramètres de Stokes avec 2 voies simultanées. Il se compose :
 d’un séparateur de faisceau biréfringent à grille délivrant deux états de polarisation simultanés, d’où un gain important en précision polarimétrique. Le polarimètre délivre ainsi pour le même pixel solaire 2 combinaisons linéaires des paramètres de Stokes affectés exactement par la même turbulence atmosphérique.
 de deux retardateurs à cristaux liquides permettant des mesures rapides des combinaisons linéaires de tous les paramètres de Stokes avec échange de voies sur le même pixel.

Polarimètre à cristaux liquides au foyer de la lunette

Observation

Un exemple d’observation de profils de Stokes I, Q, U et V en fonction de la longueur d’onde mettant en évidence l’effet Zeeman sur une tache solaire (raie FeI 6173)

Polarisation linéaire

Polarisation linéaire au limbe solaire : l’effet Zeeman apparaît dans les raies de FeI et de CrI, tandis que la polarisation par diffusion, sensible à l’effet Hanle, est visible sur NdII

C - Personnes impliquées dans cette recherche

Elle se fait en collaboration entre plusieurs laboratoires :
 J. M. Malherbe, J. Moity (LESIA)
 Th. Roudier, R. Müller (OMP, LATT)
 J. Arnaud (Université de Nice, laboratoire Fizeau)