Pourquoi le Dôme C ?

Le Dôme C et la station Concordia

Le Dôme C est l’un des sommets du haut plateau Antarctique (figure 1.11). Il est situé à l’intérieur du continent, à 1100 km des côtes et à 1700 km du pôle sud géographique ; ses coordonnées sont 75˚06’S - 123˚21’E. Il culmine à 3200 m, mais son altitude équivalente en terme de pression, qui nous intéresse pour les observations astronomiques, est de 3800 m. Il est distant de 1300 km du pôle sud magnétique, ce qui a une importance particulière concernant les aurores australes a priori susceptibles de gêner les observations astronomiques.

Figure 1.11 – Le continent Antarctique.

Au sommet de ce plateau a été construite la base franco-italienne Concordia pour abriter des instruments de recherche dans plusieurs domaines scientifiques. Le premier a été le projet européen de forage EPICA (European Project of Ice Coring in Antarctica), en 1996. La calotte glacière atteint à cet endroit 3300 m de profondeur, et permet de déterminer le passé climatique de la Terre en reconstruisant les cycles interglaciaires sur plus de 800 000 ans. La station est éloignée des perturbations côtières, ce qui la rend également favorable aux observations en magnétisme et sismologie. Enfin, l’atmosphère du Dôme C est particulièrement stable, pure et sèche, idéale pour les observations as-

tronomique et les études atmosphériques. Un camp d’été a d’abord été utilisé chaque année de novembre à février. Les travaux de construction de la station ont été effec- tués durant les étés 2002 à 2005, et le premier hivernage a eu lieu en 2005. La station est depuis occupée toute l’année, à raison d’une cinquantaine de personnes pendant la campagne d’été (le maximum est de 80 personnes), et d’une quinzaine pendant l’hiver- nage. Un espace dédié aux instruments d’astronomie a été aménagé à l’extérieur de la station. Une dalle de glace très dense de 30 m_{× 15 m a été formée, sur laquelle a été} construite une structure en bois de 8 m de haut. Plusieurs télescopes sont installés soit sur cette structure, soit au niveau du sol (figure 1.12). Un abri chauffé appelé "igloo" abrite les ordinateurs et les différents appareils associés aux instruments. Il est connecté à la station par fibre optique.

Figure 1.12 – La station Concordia et la plateforme Astroconcordia, espace dédié aux ins- truments d’astronomie. Les instruments sont soit au niveau du sol, soit sur une structure en bois de 8 m de haut. Un abri en bois relié à la station contient les ordinateurs et les appareils permettant de faire fonctionner les instruments.

1.2. L’astronomie au Dôme C

Le Dôme C comme site d’observation astronomique

La qualification du Dôme C pour l’astronomie a débuté au début des années 2000. Les premières mesures ont révélé un ciel très pur, un vent très faible et un seeing excellent (ce qui correspond à une atmosphère très stable ; voir chapitre 2). Ce sujet a été coordonné entre 2006 et 2009 par le réseau européen ARENA (Antarctic Research, a European Network for Astrophysics)2_{, avec notamment une étude concernant l’intérêt} de ce site pour les observations de longue durée [Rauer & Deeg, 2010]. On détaille ici les différentes caractéristiques du Dôme C concernant les observations astronomiques.

Couverture temporelle

La localisation géographique particulière du site conduit à une alternance jour-nuit très différente des observatoires classiques. En effet, à cette latitude, le Soleil est toujours visible de fin octobre à mi-février, et disparaît sous l’horizon de début mai à mi-août. On a donc chaque année 3.5 mois de jour continu et 3.5 mois de nuit continue. Une étude détaillée de la couverture temporelle des observations depuis le Dôme C est présentée dans Rauer et al. [2008]. Cette continuité doit a priori améliorer grandement la qualité des données pour les phénomènes pouvant être observés sur de longues périodes (en particulier les transits planétaires et la variabilité stellaire). Les conditions météorolo- giques sont de plus très favorables, avec un ciel clair la plupart du temps. Ainsi, pour l’hiver 2006, Mosser & Aristidi [2007] rapportent une fraction de 87 % de temps uti- lisable sur 100 jours d’observations spectroscopiques d’étoiles brillantes, de magnitude mV < 5 (figure 1.13). Cette fraction prend en compte la présence de nuages, mesurée visuellement plusieurs fois par jour, et l’illumination du fond de ciel par le Soleil autour de midi, l’altitude limite du Soleil étant prise à 4 ◦

sous l’horizon. Pour une altitude limite à -8 ◦

(permettant l’observation d’étoiles plus faibles), cette fraction est de 78.3 %. Une partie de cette thèse a consisté à évaluer la fraction de temps utilisable pour les observations photométriques durant l’hiver antarctique ; on se reportera au chapitre 5 pour une discussion complète sur le sujet.

Seeing

Une définition du seeing est donnée au chapitre 2. Le seeing médian mesuré au Dôme C sur l’étoile Canopus durant l’été 2002 est de 1.2 arcsec, et inférieur à 1 seconde d’arc pendant de longues périodes [Aristidi et al., 2003]. Des mesures durant les étés 2004 et 2005 ont montré un seeing médian de 0.57 seconde d’arc [Aristidi et al., 2005a]. A titre de comparaison, le seeing dans les grands observatoires astronomiques vaut typiquement 0.5 à 1 arcsec.

Des mesures acquises durant l’hiver, période intéressante pour la plupart des ob- servations astronomiques et pour la photométrie en particulier, ont montré un seeing médian de 0.27 arcsec et en-dessous de 0.15 arcsec 25 % du temps, soit une valeur exeptionnellement faible [Lawrence et al., 2004] (figure 1.14). Ces mêmes mesures ont montré un angle isoplanétique de _{∼5 arcsec, soit 2 à 3 fois meilleures que dans les} observatoires classiques. Le Dôme C apparaît alors comme une "mine d’or" pour les observations astronomiques. On note toutefois que ces mesures ont été prises avec une combinaison d’un MASS (Multi-Aperture Scintillation Sensor), sensible à la turbulence au-delà de 500 m d’altitude, et d’un SODAR (Sonic Detection And Ranging), sensible

Figure 1.13 – Fenêtres d’observation pour l’hiver 2006 (en blanc), prenant en compte les conditions météorologiques et la présence du Soleil sous l’horizon (la limite est prise à - 4◦_{), pour chaque heure de la journée (gauche), et avec une moyenne glissante sur 10 jours} (droite, ligne pleine). La fraction de temps utilisable sur l’hiver est de 88.5 %. Figure tirée de Mosser & Aristidi [2007].

à la turbulence entre 30 et 500 m. La turbulence en-dessous de 30 m n’est donc pas prise en compte.

L’étude du Dôme C pour l’astronomie durant l’hiver antarctique s’est consi- dérablement développée à partir du premier hivernage en 2005, confirmant un excellent seeing entre 0.3 et 0.4 arcsec au dessus d’une couche limite de 30 m d’altitude. Néan- moins, cette couche contient 90 % de la turbulence atmosphérique [Agabi et al., 2006; Trinquet et al., 2008]. Une analyse précise du seeing durant l’hiver à l’intérieur de cette couche limite, où sont situés les instruments, est donc essentielle. Cette étude a été réalisée par Aristidi et al. [2009], on détaille ici les résultats.

La médiane sur 3.5 années du seeing à 8 m d’altitude est de 0.98 arcsec (figure 1.15), avec un seeing bien moins bon en hiver (_{∼1.7 arcsec) qu’en été (∼0.7 arcsec). La} figure 1.16 montre l’histogramme des mesures obtenues lors de l’hiver 2006 à 3 m et 8 m, et des statistiques sont effectuées à partir de mesures recueillies pendant 3 hivers. A 3 m, le seeing médian est de 2.37 arcsec, et on a essentiellement une distribution autour de 1.9 arcsec, soit un mauvais seeing, comptant pour 93 % du temps. A 8 m, le seeing médian est de 1.65 arcsec et montre un comportement bimodal. Une première distribution, centrée sur 0.3 arcsec, correspond au seeing de l’atmosphère libre et est obtenue lorsque la hauteur de la couche limite est inférieure à 8 m. Cette distribution compte pour 16 % du temps. La seconde distribution, autour de 1.7 arcsec, compte pour 69 % du temps. Des mesures complémentaires à 20 m donnent un seeing médian de 0.84 arcsec, confirmant que le seeing s’améliore rapidement avec l’altitude. Enfin, en hiver, les périodes de stabilité du seeing sont typiquement de moins de 20 mn à 3 m d’altitude et de moins de 40 mn à 8 m d’altitude (figure 1.17). Le seeing varie donc sur des périodes inférieures à la durée typique d’un transit, ce qui va affecter la photométrie.

1.2. L’astronomie au Dôme C

Figure 1.14 – Histogrammes des mesures de seeing (haut) et d’angle isoplanétique (bas) obtenues au Dôme C entre avril et mai 2004. Le seeing médian est de 0.27 arcsec, et l’angle isoplanétique médian de ∼5 arcsec. Ces valeurs sont meilleures d’un facteur 2 à 3 que dans les observatoires classiques, et sont valables au-dessus de 30 m. Figure tirée de Lawrence et al. [2004].

Température

La température extérieure au niveau du sol durant l’hiver à Concordia varie typique- ment entre -50◦

C et -80◦

C. Les variations sont fréquentes et peuvent être très rapides, comme le montre la figure 1.18. Ces températures impactent très fortement la stabi- lité des intruments, et peuvent rendre très délicates les mesures photométriques sur de longues périodes. Les variations peuvent également entraîner de nombreux problèmes techniques, à cause du gel se formant sur les structures légèrement plus froides que l’air environnant (dans les périodes de montée de température). Des solutions sont possibles, par exemple la thermalisation des instruments.

Autres paramètres

Des ballon-sondes lâchés au-dessus du Dôme C pendant les étés 2000 à 2004 ont permis de mesurer une vitesse moyenne du vent extrêmement faible, de 2.9 m/s [Aristidi et al., 2005b]. Des mesures sur toute l’année obtenues par Geissler & Masciadri [2006] donnent une vitesse moyenne du vent de seulement 12 m/s dans les premiers 8 km d’atmo- sphère. De plus, des prévisions de Kenyon et al. [2006] à partir de mesures de profils de turbulence atmosphérique permettent de supposer une diminution d’un facteur 3 de la scintillation par rapport à des sites d’observation classiques. Enfin, on prévoit une brillance de fond de ciel et une extinction très faibles [Kenyon & Storey, 2006].

Figure 1.15 – Histogramme des mesures de seeing à 8 m d’altitude sur 3.5 années (gauche), et statistiques par mois (droite). Le seeing à l’intérieur de la couche limite est bien moins bon en hiver qu’en été. Figure tirée de Aristidi et al. [2009].

1.2. L’astronomie au Dôme C

Figure1.16 – Histogrammes des mesures de seeing obtenues lors de l’hiver 2006 à 3 m (gauche) et à 8 m d’altitude (droite). Les mesures sur 3 hivers donnent une médiane de 2.37 arcsec à 3 m et de 1.65 arcsec à 8 m. A 8 m, on observe un comportement bimodal. Figure tirée de Aristidi et al. [2009].

Figure 1.17 – Durée moyenne des périodes de stabilité du seeing à 3 m (gauche) et à 8 m d’altitude (droite), en été (rouge) et en hiver (bleu). Cette durée est inférieure à la durée typique d’un transit. La photométrie pour les instruments situés dans la couche limite sera donc affectée par les variations de seeing. Figure tirée de Aristidi et al. [2009].

1.2. L’astronomie au Dôme C

Figure 1.18 – Mesures de température au niveau du sol au Dôme C, obtenues par la station météorologique AWS (Automatic Weather Station), pour le mois de juin 2008. On note une montée rapide de la température avec une augmentation de plus de 25◦_{C en une journée,} autour du 27 juin. Ce type de courbe est caractéristique des mesures obtenues durant la période hivernale.