Fréquence de lecture d'une caméra CCD. Plus elle est rapide, plus le bruit de lecture augmente.
Crédit :
ANDOR technologies
Réponse temporelle
La rapidité de lecture d'un CCD dépend de la fréquence d'horloge de l'électronique et du nombre de pixel. Le fait de n'avoir qu'un nombre de registre de lecture limité (1 à 4 typiquement) ralentit considérablement la réponse temporelle d'un détecteur composé de millions de pixels.
Obturateur géant (1 m) de la caméra Megacam du CFHT.
Crédit :
CEA/CFHT
Obturateur
Un obturateur mécanique est souvent nécessaire pour stopper l'arrivée des photons durant le temps de lecture de la caméra. Dans certains cas, cet élément peut limiter la cadence d'observation.
La réponse temporelle devient un paramètre important pour l'observation d'un phénomène rapidement variable. Ici : occultation d'une étoile brillante par
Saturne.
Crédit :
NASA/IRTF
Variations temporelles d'un signal émis par un pulsar. Echantillonner un signal très rapide est souvent orthogonal aux capacités d'imagerie : le détecteur le plus rapide sera mono-pixel.
Crédit :
NASA/CGRO (Compton Gamma Ray Observatory)
De la nécessité d'observer avec une bonne cadence
L'observation astronomique se caractérise souvent par des poses très longues, nécessaires pour l'obtention d'un signal intrinsèquement très faible. Mais il est aussi utile de pouvoir compter sur des détecteurs rapides.
La réponse temporelle prend son importance pour l'observation d'un phénomène périodique rapide, comme p.ex. le clignotement d'un pulsar, ou pour un phénomène transitoire, tel une occultation stellaire.
Temps de réponse, temps de lecture
Un détecteur a un temps de réponse, propre ou dépendant de l'électronique de contrôle et de lecture, qui n'est pas infiniment bref.
Par exemple, un bolomètre, qui convertit l'énergie des photons en échauffement, ne peut pas réponde instantanément. De même que la lecture d'une matrice CCD de plusieurs millions de pixels ne peut pas être instantanée, mais prendra jusqu'à une minute.
Il s'ensuit que le signal d'un détecteur est échantillonné dans le temps.
Filtrage
De ce qui précède, on en déduit qu'un détecteur fonctionne comme un filtre passe-bas : les hautes fréquences temporelles sont filtrées.
Pose longue ou échantillonnage rapide
Certains phénomènes astronomiques présentent de rapides variations temporelles, soit parce qu'intrinsèquement variables, soit parce que correspondant à un phénomène transitoire. L'observation de tels phénomènes demande un temps de réponse rapide, et donc une stratégie de détection appropriée.
Temps de réponse
Difficulté : ☆
Temps : 10 min
Une observation astérosismique avec le spectromètre HARPS nécessite
la lecture d'une caméra de 2k×4k. Par ailleurs, l'échantillonnage du signal temporel nécessite l'acquisition d'une image par minute.
Question 1)
Déterminer le temps de pose en fonction de la magnitude, sachant que le détecteur sature à partir de 
photo-électrons par pixel, est que cette saturation est atteinte en environ 1 s pour une étoile de magnitude 0.
Rappel : magnitude et luminosité varient dans le rapport :
Question 2)
Le temps de lecture de la caméra est de 20 s. Pour quelle magnitude minimale l'observation reste-t-elle pertinente, avec au-moins la moitié du temps passée sur la source et non à lire la caméra ?
Question 3)
L'observation demande un échantillonnage plus rapide que 3 minutes. Montrer qu'une cible peu brillante ne sera pas observée dans de bonnes conditions. Estimer la limite en magnitude dans le cas où l'on accepte de remplir les pixels à 1/10 de la valeur optimale.
La pose sur l'objet est nécessairement limitée à 160 s.
- Question 1
Aide :
Rappel : magnitude et luminosité varient dans le rapport :
Solution :
Par application de la définition de la magnitude, le flux d'une étoile de magnitude 
vaut 
par rapport à celui d'une étoile de magnitude nulle.
Le temps de pose étant limité par le flux optimal sur un pixel, une pose de durée 
pour une magnitude nulle sera multipliée par 
pour une magnitude 
.
Soit 10 s pour une magnitude 2.5, 100 s pour une magnitude 5.
- Question 2
Solution :
En application de ce qui précède, une pose de 20 s correspond à la magnitude 
vérifiant
, càd 
.
Le temps de pose pour une étoile plus brillante que la magnitude 3.25 est plus court que 20 s : le temps est majoritairement dépensé à lire le détecteur.
- Question 3
Aide :
La pose sur l'objet est nécessairement limitée à 160 s.
Solution :
En application de ce qui précède (avec des pixels bien remplis), une pose de 160 s correspond à la magnitude 
vérifiant
, càd 
.
Le temps de pose pour une étoile moins brillante que la magnitude 5.5 dépasse 160 s.
En acceptant de remplir les pixels de façon très incomplète, le gain d'un facteur 10 en nombre de photoélectrons, donc de photons, correspond à un surcroît de 2.5 magnitudes. La limite en magnitude est donc de l'ordre de 8.