Luminance du ciel dans vallée de Rio Hurtado au Chili
22 mars 2021 - Philippe Deverchère
La société Deep Sky Chile opère dans la vallée de Rio Hurtado au Chili un site d’hébergement de télescopes (voir DeepSkyChile). Un système de mesure de la luminance de ciel Ninox (on n’ose pas parler de mesure de la “pollution lumineuse” sur un tel site...) y a été installé en novembre 2020 et il accumule les mesures sans interruption depuis cette date.
L’objectif de ce blog est de présenter de manière didactique les premiers résultats obtenus durant ces quelques mois.
Avant d’analyser les résultats des mesures réalisées sur le site de Deep Sky Chile dans la vallée de Rio Hurtad il est important de comprendre qu’il s’agit d’un site exceptionnel à plusieurs titres :
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Tout d’abord, il n’y a quasiment jamais de nuages ! C’est bien sûr tout à fait inhabituel pour des personnes qui comme nous étudions la pollution lumineuse principalement sur le territoire de la France Métropolitaine. De ce point de vue, ce site constitue un cas très particulier où tout est simplifié du point de vue de l’étude de la luminosité du ciel. En effet, la présence de nuages rend la luminosité du fond de ciel extrêmement erratique avec des variations significatives sur des durées inférieures à la minute (que ce soit dans des conditions d’assombrissement lorsque le site est peu ou pas pollué par la lumière d’origine anthropique ou dans des conditions d’augmentation de la brillance de ciel s’il existe des sources lumineuses à courte et moyenne distance).
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Ensuite, la région où se trouve le site est très peu polluée par la présence de sources lumineuses à proximité. Là aussi, cela induit une très forte simplification dans l’étude de la luminosité du ciel puisque les variations observées ne sont dues quasiment qu’à des causes naturelles (Lune, Voie lactée, champs d’étoiles, lumière zodiacale, “airglow”, ...).
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Enfin, la qualité de ciel est exceptionnelle sur ce site avec une valeur moyenne de seeing inférieur à la seconde d’arc (i.e. la turbulence atmosphérique est très faible). Cela contribue à produire des mesures bien stables de la luminosité du fond de ciel.
On peut donc dire que le site de Deep Sky Chile constitue un laboratoire pour étudier les causes naturelles de la luminosité du ciel !
Nuits sans Lune
La première chose que toute personne intéressée par l’étude de la pollution lumineuse fait en arrivant sur un site est d’évaluer la brillance de fond ciel par ciel clair et hors de la présence de la Lune. La figure ci-contre montre toutes les mesures de luminance réalisées quand la Lune était à plus de 10° sous l’horizon entre le 26 novembre 2020 et le 22 mars 2021 (une mesure de la luminance du fond de ciel au zénith selon un angle solide de 20° est réalisée toutes les minutes dès que le Soleil est à plus de 8° sous l’horizon). L’heure sur l’axe horizontal est exprimée en Temps Universel et la luminance du fond de ciel au zénith sur l’axe vertical est exprimée en mag/arcsec2 (cette luminance est appelée NSB pour Night Sky Brightness).
On voit sur la gauche du diagramme les profils de descente de la luminosité du ciel en début de nuit et sur la droite les profils de remontée en fin de nuit. La durée des nuits varie au cours du temps et les intervalles vides dans les profils de descente et de remontée représentent les nuits où la Lune était présente dans le ciel et pour lesquelles les mesures ne sont pas reportées. L’échelle de couleur utilisée permet de repérer à quelle période se rapporte chaque courbe en utilisant la légende associée. La nuit du 3 décembre 2020 (en bleu) fait apparaître des pics dus à des activités autour de l’instrument de mesure et les nuits des 14 et 15 mars sont les seules où l’on voit apparaître un profil perturbé correspondant à la présence de nuages (en fin de nuit pour le 14 et en début de nuit pour le 15).
Mis à part ces 3 nuits durant lesquelles les pofils mesurés sont perturbés, toutes les autres nuits ont des profils bien lisses qui sont caractéristiques de très beau temps (les quelques petits pics restants sont liés à des activités à proximité du Ninox). Le même diagramme est montré ci-contre en éliminant les 3 nuits concernées.
Ce qui est spectaculaire sur ce jeu de courbes, c’est l’oscillation des profils au cours de la nuit. Les parties hautes des profils (qui témoignent des ciels les plus lumineux) correspondent aux moments où la Voie lactée est au zénith (donc dans le champ du capteur du Ninox). Les parties les plus basses sont celles où la Voie lactée est totalement absente du zénith.
On constate qu’au fil du cycle lunaire, le profil “en vague” se décale sur la gauche du diagramme. A cette période de l’année, il s’agit des constellations du Grand Chien, de la Poupe et de la Boussole qui passent chaque mois un peu plus tôt au zénith entre décembre et mars. L’amplitude de la contribution de la Voie lactée est estimée à 0,6 mag/arcsec2, ce qui est considérable et nettement plus élevé que ce que l’on observe dans l’hémisphère Nord. On s’attend à une amplitude encore plus grande pendant l'hiver austral puisque ce seront le Sagittaire et le Scorpion qui passeront au zénith à ce moment là près du centre Galactique.
La carte ci-contre (réalisée avec le logiciel C2A) montre la configuration du ciel le 23 janvier 2021 à 05:00 TU. Sur les courbes enregistrées, cette date et cette heure correspondent à un des instants où le fond de ciel était le plus brillant.
Sur cette carte, le zénith est au centre (petite croix verte) et le Nord est en bas. On constate bien que la Voie lactée est parfaitement au zénith avec les constellations de la Poupe et de la Boussole dans le champ de mesure de luminance du système Ninox (cercle rouge).
Les meilleurs NSB lorsque la Voie lactée n’est pas au zénith vont au-delà de 22 mag/arcsec2, ce qui témoigne d’un ciel très sombre et parfaitement indemne de pollution lumineuse au zénith. Une chose importante à noter est que toutes les nuits ne se valent pas sur une période de quelques jours. Il y a un étalement des courbes qui dénotent des conditions variables selon les nuits, ce qui est bien sûr attendu mais qui apparaît de manière spectaculaire sur ce site sans quasiment aucun nuage. Donc même dans ce site exceptionnel il convient de choisir ses nuits pour réaliser la pose parfaite sur un objet du ciel profond !
Nuits avec des passages nuageux
Sur toute la période entre le 27 novembre 2020 et le 22 mars 2021, seules 6 nuits ont vu des passages nuageux significatifs (2 en absence de la Lune et 4 en présence de la Lune).
Le diagramme ci-contre montre les courbes de NSB associées à ces 6 nuits. On peut voir qu’en absence de Lune, le ciel est systématiquement assombri par la présence de nuages. Pour les nuits en présence de la Lune, les niveaux sont élevés et perturbés comme on peut s’y attendre.
On remarque que les profils perturbés peuvent prendre des formes différentes qui dépendent du type de couverture nuageuses (petites perturbations régulières pour une couverture nuageuse uniformes et brusques variations en cas de passages nuageux avec des trouées).
Visualisation du passage de la Voie lactée
Ce diagramme est riche en informations. On y voit la variation de la durée des nuits au fil des semaines (les nuits s’allongent puisque l’on entre dans l’automne austral). On peut aussi constater l'effet de l'obliquité de l'écliptique et de l'ellipticité de l'orbite terrestre autour du solstice d'été austral avec pour fin décembre et début janvier des nuits qui commencent à s'allonger le matin alors que le Soleil continue à se coucher plus tard (i.e. l'heure de coucher du Soleil en bas du diagramme continue à être plus tardive alors que l'heure du lever du Soleil en haut du diagramme devient elle aussi plus tardive). Ce n’est qu’à partir de la seconde quinzaine de janvier que la nuit s’allonge à la fois le soir et le matin.
Les zones très rouges qui reviennent chaque mois correspondent aux dates de présence de la Lune. Le passage de la Voie lactée au zénith est parfaitement visible avec la zone bleu/vert (donc des luminances plus élevées) qui se décale jour après jour en se levant plus tôt. Il s’agit de la zone des constellations du Grand Chien, de la Poupe et de la Boussole dans la Voie lactée. Une nouvelle zone de la Voie lactée commence à arriver en fin de nuit en mars dans la partie droite du diagramme. Il s’agit de la constellation du Scorpion qui sera suivie bientôt par le constellation du Sagittaire. A partir de la mi-mars, la latitude galactique du zénith ne dépasse jamais 30° et on peut constater que la brillance du ciel ne descend plus aux niveaux très sombres que l’on pouvait avoir en fin de nuit au début du mois.
Influence de la Lune
Lorsque l’on étudie la pollution lumineuse, on ignore généralement soigneusement les nuits où la Lune est présente du fait de sa contribution très élevée à la luminosité du ciel. Toutefois, dans le cas du site de Deep Sky Chile, l’absence de nuages permet de faire apparaître de manière claire des patterns dans la contribution de la Lune à la brillance de ciel. Les 3 diagrammes ci-dessous montrent les mesures obtenues durant les 3 cycles lunaires depuis décembre (14 décembre 2020 au 13 janvier 2021, 13 janvier 2021 au 11 février 2021 et 11 février 2021 au 13 mars 2021). Seules les mesures où la Lune est présente dans le ciel ont été retenues.
On constate que le niveaux les plus élevés au moment de la pleine Lune sont de plus en plus haut dans les diagrammes au fil des 3 cycles lunaires. Cela est dû au fait que la hauteur de la Lune dans le ciel est plus élevée mois après mois lors de son passage au méridien nord. On remarque aussi une “marche d’escalier” sur les profils de montée et de descente. Ils surviennent au moment où la Lune est suffisamment haute dans le ciel pour éclairer l’intérieur du tube dans lequel se trouve le capteur. Les espèces de “bosses de dromadaires” sur les profils de Lune les plus élevés sont dus au fait que la Lune éclaire directement le photomètre à l’intérieur du tube.
Conclusion
En conclusion, on ne peut qu’être impressionné par la grande qualité des nuits sur ce site dans les montagnes chiliennes ! Cela montre de manière indubitable que la contribution de la Voie lactée ne peut pas être ignorée lorsque l’on étudie la pollution lumineuse au travers de mesures photométriques. Les mois à venir permettront d’affiner encore les analyses sur la contribution de la Voie lactée à la luminance du ciel et d’étudier en particulier la brillance de surface en fonction de la longitude Galactique. Les données accumulées sur le site de la vallée de Rio Hurtado vont d’ailleurs nous permettre de calibrer les corrections à appliquer sur les mesures de NSB de sites quelconques pour ne pas prendre en compte la Voie lactée, ceci afin d’isoler la contribution de la lumière d’origine anthropique (un futur blog détaillera cette démarche).