PNST - Revue des Instruments "sol" - Recommandations du Conseil Scientifique, le 10 janvier 2001

a) Coronographie du Pic de Midi

L'équipe Scientifique, Jacques Clair Noens assisté de Raphaël Jimenez, exploite les données de deux instruments, le spectro-coronographe MSCO et le coronographe-imageur grand champ H alpha HACO. Le service d'observations est opérationnel depuis 1994, avec pour objectif l'étude systématique de la dynamique de la basse couronne par l'acquisition de longues séries de données calibrées en intensité et position. L'équipe est complétée par une équipe d'observateurs bénévoles qui assurent les observations quotidiennes, participent à l'analyse statistique des données, et pour certains à leur interprétation.

Le CS reconnaît l'intérêt de l'activité de ce service, qui a un impact national et international, ainsi que le rôle culturel, de formation, vulgarisation et relations publiques dans la région. Ces derniers points sont conformes avec le fait que la partie majeure de financement vient des ressources régionales. La mise à disposition des données est rapide et efficace, mais il faut développer l'exploitation de ces données. Dans cet esprit le CS se félicite du développement d'une collaboration avec les scientifiques de Tarbes et encourage l'équipe à continuer à développer cette collaboration. Un thésitif, en co-tutelle avec Tarbes, l'IAS ou le DASOP, pourrait aider à renforcer l'équipe.

Le CS encourage l'équipe à publier ces travaux spécifiques, en exploitant la base de données, en particulier avec le MPAe de Lindau (implication dans SOHO et les observations au sol). Un effort particulier doit être fait pour dresser un bilan de l'utilisation scientifique de cette base de données.

b) THEMIS

THEMIS est un télescope conçu pour la mesure à haute résolution spatiale et à grande sensibilité de la polarisation des raies du spectre solaire. Un analyseur de polarisation, deux spectrographes en série et un filtre biréfringent avec un interféromètre Fabry-Perot fournissent les données. Une optique adaptative est prévue pour compenser l'agitation atmosphérique. On pourra observer en même temps jusqu'à 10 domaines spectraux différents.

THEMIS est un instrument solaire d'une valeur potentielle considérable. Il reste "unique" aujourd'hui, mais il est menacé par la concurrence qui est en train de se développer, s'il est trop lent à acquérir les performances ultimes qui sont attendues. Le CS considère que l'ouverture internationale du programme d'observation est à encourager, ainsi que l'éventuelle participation d'autres pays en tant que membres du projet. Pour atteindre les performances visées l'optique adaptative est indispensable. Celle-ci devrait être opérationnelle dans les meilleurs délais compatibles avec une sous-traitance industrielle afin d'assurer la compétitivité de THEMIS dans les dix prochaines années.

Nous exprimons cependant nos inquiétudes sur certains aspects de la gestion du programme THEMIS. Cette gestion devrait tout mettre en œuvre pour profiter de la bonne volonté et de la compétence instrumentale des scientifiques, dans l'équipe THEMIS ainsi qu'à l'Observatoire de Paris. [à noter que, lors de la réunion du Conseil Scientifique de THEMIS, les 9 et 10 février 2001, un rôle a été désigné au PNST, pour représenter la communauté des utilisateurs français et pour préciser un document de besoins pour l'optique adaptative]

c) Surveillance solaire

Des images quotidienne du Soleil entier sont effectuées à Meudon dans le cadre du “ Service d'Observations du Soleil ” : en H alpha et en plusieurs points de la raie K du calcium ionisé, par le Spectrohéliographe, et en plusieurs points de la raie H alpha par l'héliographe à lambda variable, pour suivre des éruptions. Certaines de ces données couvrent une base de plusieurs cycles solaires ; d'autres sont consultées régulièrement par un grand nombre d'utilisateurs, notamment sur BAS2000 ainsi que par les grands programmes spatiaux. Des améliorations récentes concernant le fonctionnement automatique ont été en partie financées par le PNST. Ces observations nécessitent aujourd'hui plus que 4 techniciens plein temps.

Les deux instruments de routine radio, situés sur la station de radioastronomie de Nançay (interféromètres 3 cm et flux globaux métriques) sont gérés par le “ Service d'Observations du Soleil ” de l'Observatoire de Paris et ne nécessitent qu'un faible financement et une faible mobilisation de personnel. Ils fournissent des informations utiles aux " prévisionnistes " solaires et une base long terme de données validées. Tels qu'ils fonctionnent aujourd'hui, ils ne posent pas de problème. Néanmoins une évolution technique (automatisation de l'acquisition, remplacement du récepteur multicanal du DESPA) - relativement importante pourrait être nécessaire à moyen terme, surtout si les indices validés de ces instruments s'avéraient essentiels pour le développement de la "météorologie spatiale".

Il est possible que, dans un avenir lointain, ces fonctions soient remplacées par de nouveaux satellites de surveillance. Pour l'instant, le niveau d'intérêt et d'exploitation de ces données justifie pleinement la continuation de l'activité. Pour l'Observatoire de Paris, il fournit un pôle, avec ce qui reste de l'ancien centre de prévision, pour suivre les développements courants dans le domaine de la climatologie et de la météo de l'espace.

d) Radiohéliographe (RH)

L'amélioration des capacités d'imagerie instantanée du RH (en 96-97) permet de fournir des images de la moyenne couronne, à 150-450 MHz (soit à 0.1-0.5 Rs au-dessus de la photosphère), avec des échelles de temps et une sensibilité (temps de pose courts) compatibles avec la variabilité des phénomènes observés. Les autres instruments dédiés à l'imagerie radio solaire sondent des couches plus basses ou ont des fonctionnements trop limités dans le temps. La gamme de fréquence du RH lui permet d'explorer les processus d'injection dans le vent solaire, de particules ou de structures, comme les chocs ou les CME. La résolution spatiale et la résolution temporelle de cet instrument sont limitées, mais ses observations sont complétées par des analyses spectrales (au sol ou en orbite) et par des observations optiques (CME par des coronographes spatiaux), UV & X mous (structures fines de la couronne), X durs (spectres des particules accélérées). La communauté correspondante est bien organisée au sein du CESRA et des membres actifs autour du RH ont des responsabilités de Co-Is scientifiques de missions spatiales (ULYSSES, SOHO, STEREO, HESSI,…). Cependant la complémentarité entre les altitudes couvertes par le RD et par le RH n'est pas encore exploitée.

Pour sa mise en exploitation, le RH nécessite l'appui de 6 ingénieurs et techniciens, dont 2 T/AI à temps plein. Le coût annuel du RH est d'environ 400kF dont 150kF de fonctionnement et 250kF de maintenance. L'accès aux données en ligne ainsi que la consultation des bases de données montre une grande régularité et une très bonne fiabilité des observations (leur addition, que j'accepte) L'augmentation de la couverture temporelle nécessiterait des travaux assez importants. Jusqu'à maintenant l'essentiel du financement est venu de la région et de contrats européens. La prolongation de tels financements risque de poser des problèmes administratifs (parité état/région, maintenance non financée par la région..) Une contribution du PNST d'environ 100 kF est envisageable, sous condition du budget disponible et de priorités évaluées par le CS.

Un audit effectué à la demande de l'INSU, en 1997 a proposé que l'exploitation du RH soit prolongée jusqu'au maximum solaire du 2001. Au delà de cette date, un nouvel audit scientifique était proposé. Pour le RH (comme pour le RD) les arguments invoqués, pour justifier une prolongation, des opérations (STEREO, Solar Orbiter, sonde solaire) doivent être démontrés, à partir des données spatiales actuelles. Dans tous les cas les perspectives offertes par des instruments internationaux (ALMA, spécialisation du VLA…) doivent être explorées. On observera alors des régions plus proches du bord : avec ALMA en mm et submm on observera la chromosphère ; avec le VLA en cm, on observera la zone de transition (leur addition, OK).

Le CS a décidé de demander dans les mois qui suivent un audit scientifique sur le RH, suivant la recommandation de la Revue de 1997.

e) Réseau Décamétrique (RD)

L'instrument n'est pas un imageur, mais il permet d'effectuer un suivi systématique du spectre dynamique des paramètres de Stokes des sources les plus brillantes du ciel (Soleil, Jupiter) dans la gamme 15-50 MHz. Son mode d'acquisition est entièrement automatisé et fiabilisé (2 ETP dont un opérateur). Il a été récemment (1997) doté d'une chaîne de réception (spectro-polarimètre numérique à grande dynamique), permettant de s'affranchir en grande partie des interférences électromagnétiques d'origine anthropique, qui limitent sévèrement les possibilités d'observation dans cette gamme de fréquence. Pour l'étude du Soleil, la gamme d'altitudes couverte par le RD (de 4 a 0.4 Ro pour 10-100 MHz) est celle où se fait l'accélération du vent solaire, et correspondrait presque à la région où passerait une " sonde solaire ". Aujourd'hui cette région est également explorée par SOHO, Ulysses, WIND, et va l'être bientôt par STEREO, ce qui justifierait des observations corrélées et/ou une accumulation de données pour utilisation ultérieure.

Le niveau d'utilisation des données solaires: 8 articles depuis 1995, est insuffisant. Les quelques articles publiés concernent principalement les comparaisons entre le RD et Wind ou Ulysses. Il n'y a pas vraiment non plus d'articles où les théoriciens spécialistes de la chromosphère et de la couronne appliquent leurs modèles aux observations du réseau DAM. Seuls les observateurs font des corrélations spatiales et temporelles, mais insuffisamment pour parvenir au stade souhaitable d'identification de mécanisme ou de configuration magnétique (hormis un article très récent). On peut noter une légère amélioration de l'exploitation solaire ces dernières années avec les corrélations avec Ulysses, Wind, SOHO, mais il reste un manque de contact avec le RH et un manque de chercheurs impliqués. La polarisation n'est apparemment pas utilisée.

Le CS constate que le RD fournit des données d'un intérêt potentiel fort pour l'accélération du vent solaire ainsi que pour les événements d'intérêt pour la météo de l'espace, sujets importants pour le PNST. Par ailleurs, le nombre de chercheurs affectés est pleinement insuffisant et les chercheurs compétents dans ce domaine ont choisis leurs priorités ailleurs. Une évaluation similaire a été évoquée les années précédentes. Dans cette situation, une continuation de financement par le PNST doit être mise en question.

f) SuperDARN

Super-DARN est en fonctionnement depuis 1994-1995. Ce réseau de radars permet de dresser des cartes de la vitesse de convection dans l'ionosphère, sur plus de la moitié de la région aurorale, dans l'hémisphère nord. De plus, il y a maintenant des radars dans l'hémisphère sud, en particulier le radar français à Kerguelen qui permet d'étudier l'effet saisonnier dû aux différences de conductivité entre les ionosphères polaires d'hiver et d'été. La résolution temporelle est très bonne (~1 mn). Ces cartes de la convection ionosphérique seront extrêmement utiles pour restituer les mesures de Cluster dans un contexte à plus grande échelle.

En France, deux thèses basées sur ses données ont été soutenues et trois sont en cours. Les articles scientifiques sont en de plus en plus nombreux. Au niveau international, il faut souligner que cinq nouveaux radars ont été mis en service en 2000 (dont celui de Kerguelen). Super-DARN est donc actuellement en pleine expansion. Le fonctionnement du radar français en Islande est maintenant pris en charge sur crédits PNST/INSU. Ce coût (environ 300 kF / an, hors salaire) représente une part très importante du budget du PNST. Le fonctionnement du radar de Kerguelen est pris en charge par l'IFRTP.

L'équipe scientifique est de l'ordre de 3-4 chercheurs + autant de thésitifs (LPCE+CETP, et plus récemment CESR). Le soutien technique des laboratoires est très limité, ce qui constitue une fragilité du dispositif. Des développements de radars de type Super-DARN et des amélioration de leurs performances sont envisagés, mais il n'y a pas d'initiative française dans ce sens pour l'instant. A court terme, le contrat avec l'Université de Reykjavik –qui arrive à expiration en 2003- doit être renouvelé. L'avenir à plus long terme, après Cluster II (au delà de 2005), apparaît incertain si l'équipe scientifique n'est pas renforcée par de jeunes chercheurs.

g) EISCAT/ESR

EISCAT/ESR comprend des radars implantés sur différents sites: le radar tri-statique UHF-KST (Kiruna, Sodankyla, Tromsö) permet de sonder l'ionosphère dans la région aurorale (typiquement 65° de latitude magnétique invariante) et de faire des mesures vectorielles de la convection ionosphérique. L'antenne VHF de Tromsö permet des sondages à plus haute altitude (ou latitude). L'émetteur VHF sera en principe maintenu pendant CLUSTER, mais ne sera pas rénové en cas de panne. Le système ESR au Svalbard (Longyearbyen) comprend deux antennes ; la première est opérationnelle depuis 1997 et la seconde antenne est opérationnelle depuis 2000. ESR sonde le cornet polaire et la calotte polaire (échappement des ions…) à des latitudes magnétiques invariante de l'ordre de 75°.

L'une des priorités actuelles est l'identification des zones frontières de l'ionosphère en soutien à la mission CLUSTER. Alors que SuperDARN donne accès à des cartes globales (mais 2D) de la convection au niveau ionosphérique, EISCAT permet des mesures locales (mais en 3D avec KST), des vitesses, et fournit des mesures des profils ionosphériques. ESR fournit des paramètres importants (vitesse d'échappement des ions) pour quantifier l'érosion de l'atmosphère terrestre liée à l'impact du vent solaire sur notre planète. Les campagnes de mesure des vents, températures et concentrations des neutres, menées en liaison avec l'interféromètre EPIS (qui a été financé par le PNST et sera opérationnel dès l'hiver 2001), permettront de quantifier le couplage entre l'atmosphère neutre et l'ionosphère.

L'équipe scientifique française comprend 11 chercheurs (à temps partiel) et 3 thésitifs. Cette participation est comparable à celle de l'Allemagne de la Suède ou de la Norvège, mais inférieure à celle du Japon ou de l'Angleterre. Le nombre de publications (56/384 sur 4 ans) correspond à la proportion des chercheurs français impliqués (15%). L'INSU a signé un contrat international jusqu'en 2006. Le CS s'est interrogé sur le futur pour EISCAT au delà de 2006 . Deux pistes devraient être explorées : (i) développement d'une base de données à long terme, permettant de renforcer nos capacités de modélisation et de prédiction dans le cadre de la météorologie spatiale et (ii) surveillance de l'impact de l'activité solaire, via l'utilisation des radars EISCAT à la fois en mode passif pour l'observation des CME's et en mode actif pour l'étude de la réponse de l'ionosphère.

h) Les DPSM (THEMIS, Pic-du-Midi, VTT, Meudon)

La méthode DPSM (Double Passage Soustractif Multicanal) a été mise au point et développée au DASOP/Obs de Paris-Meudon. Elle permet principalement l'analyse des champs de vitesse radiales dans l'atmosphère solaire, par le biais de l'interprétation des profils de raies spectrales. Cette méthode originale a été mise au point dans les années 70-80, à l'aide de la Tour Solaire de Meudon, avec son grand spectrographe de 14 mètres. C'est une des méthodes à la base du télescope THEMIS. En plus de Meudon et de THEMIS, des DPSM sont également implantés au Pic-du-Midi et sur le télescope VTT allemand à Tenerife. La technique DPSM bénéficie très fortement des bonnes conditions d'observation obtenues à Tenerife, en profitant d'une haute résolution spatiale associée à une grande résolution temporelle et en l'ouvrant vers l'analyse de la polarisation.

Le succès et la forte productivité de ce développement instrumental en fait un des points forts de l'astronomie française, avec de nombreuses collaborations étrangères. Les demandes financières associées (missions) à soutenir sont relativement modestes. L'exploitation encourage le développement du savoir faire d'autres équipes françaises, par exemple pour les méthodes d'optique adaptative.

i) DORAYSOL

Le télescope DORAYSOL (Définition et Observation du Rayon Solaire) a fait suite en 1999 à l'astrolabe développé par F. Laclare au plateau de Calern, pour la mesure précise du rayon solaire depuis 1975. Les deux comportent une acquisition CCD numérique. DORAYSOL apporte en plus la possibilité de travailler en bandes spectrales étroites et une augmentation du nombre de mesures par jour, jusqu'à une centaine. Un projet MISOLFA coordonne une collaboration entre Calern et l'Algérie et le projet spatial du CNES, PICARD et aussi lié.

Ces opérations fonctionnent bien avec le but de continuer sur plusieurs cycles solaires. 150 kF est demandé à l'INSU pour le projet MISOLFA. Il ne semble pas que des problèmes majeurs se posent pour l'avenir.

j) Spectro-Tourelle (Pic-du-Midi)

Cet instrument fait à la fois de la spectroscopie et de l'imagerie de façon très complémentaire. Il reste compétitif, au moins tant que THEMIS ne fait pas encore d'optique adaptative. C'est le seul instrument permettant à la fois des observations à haute résolution spatiale et sans polarisation instrumentale. Permettant des études sur la granulation, la photosphère et la chromosphère, il fonctionne à moindre coût, avec une équipe bien rodée. Il est très productif, bien intégré dans des campagnes internationales d'observation, en particulier avec le DPSM.

k) Tour Solaire de Meudon

Avec ses 60 cm d'ouverture et son spectrographe de 14 mètres, la Tour Solaire de Meudon, construite à la fin des années 60, a montré qu'elle tirait le parti maximum du 'seeing' de la région parisienne. Elle a joué un rôle fondamental pour la communauté française, en permettant le développement de la technique DPSM avec des nombreuses publications. Aujourd'hui la Tour est inutilisable pour des raisons techniques d'infrastructure (coupole bloquée, plancher dangereux). Une discussion sur l'utilisation à moyen et long terme de la Tour et de ses équipements devrait être menée au sein de l'Observatoire de Paris, en prenant en compte le coût de la remise en état, la mise à niveau de l'équipement, la maintenance et le fonctionnement opérationnel (Spectro-Tourelle, DPSM/VTT, Tour de Meudon).

l) PARIS

Lors des éruptions solaires, il est important de pouvoir déterminer la nature (électrons ou ions) des particules précipitantes, ce qui nécessite des mesures fines de polarimétrie. Le polarimètre PARIS (Polarimeter for Active Regions Instabilities Study) permet de mesurer le degré de polarisation linéaire dans la raie Ha et la direction de cette polarisation. Les observations avec PARIS seraient moins complètes qu'avec THEMIS ; elles ne donnent pas le profil spectral de la polarisation et ne permettent d'observer que dans la raie H alpha. Pourtant PARIS a l'avantage de permettre une surveillance quasi-continue de l'activité solaire, afin d'observer les éruptions dès leur début, pour laquelle THEMIS n'est pas vraiment conçu. De plus la surveillance systématique des éruptions permet d'envisager des observations simultanées avec HESSI.

Jusqu'à maintenant, le PNST n'a pas financé PARIS et a incité les proposants à faire des campagnes sur THEMIS. Néanmoins, le besoin de faire des campagnes de longue durée pour observer pendant les éruptions est fondé et, dans la mesure où la version numérique et semi-automatique de PARIS sera opérationnelle dans quelques mois, il paraît raisonnable de l'utiliser au printemps et en été, pour quelques campagnes de longue durée. Cependant des incertitudes planent sur l'analyse scientifique des données et sur le support technique. Après les campagnes menées au printemps et cet été, le CS souhaite faire un bilan, à la lumière des données qui seront acquises, et de l'engagement effectif des chercheurs du DASOP dans leur exploitation scientifique.