San Pedro de Atacama Celestial Explorations

La solution complète pour observer le ciel d'Atacama

MAP history and description

MAP...

Le nom MAP vient de l’initiale du nom de famille des trois participants à ce projet

Alain Maury, Georges Attard et Daniel Parrott.

C'est un projet visant à détecter des petits corps du système solaire dans le ciel austral en utilisant des télescopes à grand champ, des caméras CMOS et un logiciel détectant les objets se déplaçant en utilisant la technique du suivi synthétique, écrit par Daniel Parrott, tycho-tracker

Les objectifs scientifiques sont multiples :

  • Découvrir de nouveaux astéroïdes géocroiseurs et autres astéroïdes à inclinaison élevée
  • Découvrir (éventuellement) de nouvelles comètes
  • Découvrir de (éventuellement) de nouveaux astéroïdes et  comètes d'origine interstellaire

Alain Maury a financé l'instrumentation actuelle et écrit le script d'acquisition (dans le cadre du logiciel prism), Daniel Parrott a écrit le logiciel Tycho-tracker, et l'a amélioré en collaboration avec nous pour le rendre compatible à une utilisation automatisée, et Georges Attard a écrit les scripts qui permettent le traitement automatique des images au fur et à mesure de leur arrivée sur le PC de traitement, et faciliter l'extraction des objets découverts. Alain Maury peut être considéré comme professionnel (membre de l’UAI ayant travaillé auparavant dans des observatoires professionnels) mais agit comme amateur, n’étant relié à, ni financé par aucune institution professionnelle, Georges Attard et Daniel Parrott sont astronomes amateurs, mais leur domaine professionnel est l’informatique.

Historique :

Alain Maury est astronome amateur de passion, et photographe de formation (Ecole Nationale de la Photographie et du Cinéma). Autodidacte, il est membre de l’Union Astronomique Internationale, au départ en France et aujourd’hui au Chili où il réside depuis l'an 2000. Il a découvert son premier astéroïde géocroiseur en 1983 sur des plaques photographiques prises avec le télescope de Schmidt de l’observatoire de la côte d’azur en France.

Il a découvert plusieurs autres astéroïdes géocroiseurs et 2 comètes entre 1985 et 1988 alors qu’il travaillait à l’observatoire du Mont Palomar en Californie dans le cadre de la seconde survey de Palomar. De retour en France, il a essentiellement travaillé à la mise en fonctionnement correcte du télescope de Schmidt de l’OCA, puis en son équipement d’une caméra CCD permettant la détection automatique des astéroïdes. Le télescope mesurait 90cm de diamètre, et la caméra était à l’époque de sa construction la plus grosse caméra CCD en Europe, avec 4 mégapixels. A la pointe de la technologie de l’époque, elle était utilisée via un PC pentium, avec 32 Mo de mémoire, et une énorme station de travail HP qui avait 64Mo de RAM (le bon vieux temps). Dans le cadre du programme ODAS, une collaboration avec l'agence spatiale allemande (DLR), en deux ans et demie 5 astéroïdes géocroiseurs furent découverts. Dans la mesure où certains astronomes pensent que l'astronomie moderne ne se fait que via des modèles et des simulations et qu'il est inutile d'obtenir des données réelles (sarcasme), le télescope a été fermé par décision du directeur de l’observatoire aidé de son directeur adjoint.

Alain Maury a changé de continent et a ensuite travaillé à l’observatoire européen austral dans le cadre des programmes DeNIS, puis du programme EROS2. Ensuite il a quitté le CNRS pour monter un observatoire public dans le désert d’Atacama, dans le but de faire découvrir le ciel austral au public, mais en arrière-pensée avec l’idée de recherche à nouveau des astéroïdes.

En 2015, il a conduit un programme de recherche automatisé en collaboration avec Joaquin Fabrega du Panama, à l’aide d’un télescope newton de 40cm (ASA) et d’une caméra de 16 mégapixels FLI PL16803. Ce programme a été conduit durant un an et n’a donné aucune découverte intéressante. Ce programme a détecté beaucoup d’objets intéressants, mais la magnitude limite n’étant pas suffisante, ces objets étaient déjà découverts dans les semaines précédentes par des télescopes plus puissants. Il a permis d'écrire un script d'automatisation complète des observations qui a servi de base au script actuel d'observation.

En 2014 la firme américaine Celestron a commercialisé des télescopes à grand champ, les RASA (Rowe Ackerman Schmidt Astrograph) ayant 28cm de diamètre, mais seulement 62cm de distance focale, donnant un très grand champ de 3.3x3.3° avec une caméra ML16803. Un premier télescope a été acheté, monté sur une monture Paramount ME, et il était possible de couvrir une grande surface de ciel en très peu de temps.

 

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 Premier prototype, RASA 11, caméra CCD ML16803 sur monture Paramount ME

Depuis 3 autres télescopes de ce type ont été acheté. En 2019 la firme chinoise ZWO a commencé à commercialiser des caméras grand format (24x36mm) avec des détecteurs de marque Sony IMX455 de 60 mégapixels, de très haute sensibilité, très faible bruit, temps de lecture quasi instantané, et il a semblé évident que l’on gagnerait beaucoup en utilisant ces caméras au foyer des télescopes RASA.

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2019 : 4 RASA, 2 caméras

Une monture solide a été aussi achetée (VMA200 du constructeur français Valmeca) permettant de supporter les 4 télescopes. Le tout est monté dans une coupole de type clamshell. Un système de montage a été réalisé au Chili permettant de décaler correctement les 4 télescopes de façon à couvrir des champs contigus. Il a fallu également réaliser des adaptateurs permettant de monter les caméras sans produire de vignettage. Dernier ajout, pour gagner du temps et passer moins de temps à focaliser pour compenser la dilatation du tube aluminium original du télescope, 4 tubes en fibre de carbone.

Avec les 4 télescopes, une image représente alors 240 mégapixels, donc à la hauteur des plus grandes caméras utilisées sur les télescopes professionnels, avec une qualité cosmétique identique sinon meilleure (pas d’interstices entre les différents champs). La caméra Megacam du CFHT à Hawaii fait 288 mégapixels, la caméra OmegaCAM du VST de l’ESO fait 250 mégapixels.

Au niveau logiciel, il semblait évident que la technique ancestrale (datant de 1989, projet Spacewatch) consistant à photographier le même champ plusieurs fois avec un intervalle de temps donné n’était plus forcément la méthode idéale, on devait, 30 ans plus tard, avoir progressé un peu et utiliser des logiciels un peu plus intelligents. Alain Maury en 2018 est rentré en contact avec Michael Shao du JPL (NASA) qui avait, avec son équipe, développé le premier logiciel utilisant le suivi synthétique. L’idée consiste à faire une série de poses courtes, puis de les décaler en suivant le déplacement de l’astéroïde que l’on veut détecter. Le problème étant que lorsque l’on cherche à détecter de nouveaux astéroïdes on ne connait ni la vitesse ni la direction de l’astéroïde. Dans ce cas la méthode brutale consiste à faire toutes les additions possibles dans toutes les directions possibles et voir si on détecte un éventuel astéroïde. Ceci est aujourd’hui faisable grâce aux cartes GPU (Graphics Processing Unit) qui augmentent de plusieurs ordres de magnitude la puissance de calcul d’un PC. Alain Maury ayant laissé un commentaire sur les télescopes RASA sur une vidéo youtube, il fut contacté par Daniel Parrott  pour lui dire qu’il développait justement un logiciel de suivi synthétique, et les deux ont commencé à travailler ensemble, rapidement rejoint par Georges Attard qui est membre comme Alain Maury du Groupement d’Astronomie Populaire de la Région d’Antibes (GAPRA), le meilleur club d'astronomie en France :) (en toute modestie).

Au départ, pas du tout utilisable en mode automatique, tycho tracker a été progressivement modifié pour pouvoir être scriptable, et a subi de nombreuses améliorations, dont l’utilisation du catalogue astrométrique GAIA (version GRAPPA réalisée par Marc Serrau un astronome amateur français) d’une dll (dynamically linked library) aimablement fournie par Raoul Behrend (observatoire de Genève) permettant le calcul de la position précise des astéroïdes déjà connus. Georges a ensuite écrit un panneau de contrôle qui permet la gestion des détections faites durant la nuit et nous allons travailler très prochainement dans la gestion automatique de la confirmation des objets découverts en utilisant un télescope de 50cm à F/4 dont la construction est quasiment terminée en début 2021.

L'instrumentation :

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2 RASA sur la monture VMA

 La pandémie a fait que le financement de l'opération est devenu nettement plus difficile. Pour l'instant nous avons les 4 télescopes RASA sur leur monture, 4 caméras zwo 6200 (mais une est utilisée sur le télescope de suivi, donc au mieux nous pourrons mettre 3 RASA en fonctionnement), les 5 PCs d'acquisition de données, et seulement 2 PC de traitement d'image. A terme, ça devrait ressembler à ça :

OrganigrammeRASA2

Les observations arrivent sur PCGPU1, et il envoit les demandes de confirmations à NUC5 (télescope de confirmation). Il y a toute une procédure de synchronisation entre le NUC1 maître, et les NUC2, 3 et 4 qui sont esclaves et qui reçoivent les ordres du PC maître.

Les observations :

Le logiciel d'acquisition tourne avec le logiciel prism. Une fois lancé, il calcule la hauteur du soleil. A -5° d'altitude, il ouvre la coupole, et refroidit la caméra. Nous travaillons à seulement -10°, la caméra zwo ne permettant pas de descendre beaucoup plus bas de manière stable en été (30° de delta T est déjà beaucoup). Une fois le soleil à -12° d'altitude, les observations commencent automatiquement. Nous utilisons un fichier texte des champs faisables dans le ciel, de 0° de déclinaison à -90°, par bandes de 2.1° de haut, et chaque bande est divisée en 3.2/cos(déclinaison) champs. Au cours du temps nous allons donc toujours repasser sur les mêmes champs. Au départ (disons juste après la pleine lune), le fichier est rempli de 0, un 0 par champ, séparé par un espace du champ suivant. Lorsqu'un champ a été déjà observé durant la lunaison, le 0 est remplacé par le numéro du jour où le champ a été pris. Ce qui fait que le lendemain un champ déjà observé est ignoré. Nous n'observons qu'entre -2h et +2h du méridien. Et donc le télescope passe d'un champ au suivant, tant qu'ils n'ont pas été faits. S'il rencontre un champ déjà fait, il passe à la bande de déclinaison inférieure. S’il arrive à 2h après le méridien, il passe aussi à la bande de déclinaison inférieure. 
Avec une seule caméra (champ de 3.3x2.2°, pixel de 1.2") il y a 3087 champs faisable dans l'hémisphère austral, sur 42 bandes de déclinaisons différentes (dont les centres de champ commencent par -1.05°, -3.15°, -5.25°, etc....). Il y a 113 champs sur la première zone de déclinaison (à 0° :  360/3.2=113 champs) et seulement 6 champs sur la zone à -87.15°

emptysky

Le fichier texte, lorsqu'il est vide

skyRASA1

Le fichier texte, après plusieurs nuits d'observations (en Janvier Février 2021)

Et dans le futur, une fois les 4 caméras fonctionnelles, le fichier ressemblera à ça : 4 fois moins de champs, ou 4 fois plus de ciel couvert dans le même intervalle de temps :)

skyRASA4

Le logiciel remplit automatiquement durant la nuit un fichier de couverture du ciel (sky coverage) que nous envoyons au MPC et qui permet de connaître le ciel qui a été couvert en un temps donné.

skycovmag20Jan-Feb2021

Tous les champs à déclinaison inférieure à -30° sont nos observations sur la période considérée, ce diagramme ne comporte que les observations qui vont plus loin que magnitude 20.

Le logiciel permet la détection des astéroïdes et reconnaît les astéroïdes déjà connus (présents dans le fichier mpcorb.dat), et permet de classer ces astéroïdes en fonction du niveau de confiance que l'on peut accorder à la détection. A cause du grand champ offert par la caméra, en utilisant (pour l'instant) 36 poses de 30 secondes (soit un total de 18 minutes) nous pouvons détecter des sources de magnitude 20.5 avec une relative confiance.

Pour l'instant, nous observons avec un seul télescope, le second arrivera assez rapidement. Nous sélectionnons une déclinaison de départ, et le logiciel se débrouille en fonction du temps sidéral pour rester à observer entre plus ou moins 2 heures autour du méridien tout en évitant la présence de la lune.

Durant une exposition, la pose précédente est prétraitée (dark, flat) recentrée à un pixel près (pas d'interpolation), envoyée vers le PC de traitement, puis binnée par un facteur 2 et envoyé également sur le PC de traitement qui est équipé d'une ou deux cartes graphiques nVidia RTX2080ti. Le traitement se fait en temps réel (c'est à dire tel que le traitement d'une pile d'image est fait en un temps au moins inférieur au temps de prise de vue de la pose suivante). En début de série, le programme d'acquisition exécute un recentrage astrométrique, et une focalisation. Nous réalisons un dithering dans une fenêtre de 20 pixels entre chaque pose, histoire de ne pas avoir des points chauds résiduels allongés. Le télescope n'est pas autoguidé, vu la faible durée des poses individuelles. Le programme maître (celui qui contrôle aussi la monture) envoie des informations aux autres PC d'acquisition et il y a un protocole permettant de synchroniser tout ce petit monde, par échange de fichiers dans des directory communs. Le programme des PC esclaves ne fonctionne qu'en lisant les fichiers contenant les observations à faire (coordonnées, de façon à remplir l'entête du fichier correctement, temps de pose, nombre de poses, etc…) et une fois le télescope recentré astrométriquement, il envoie juste un fichier vide "go.txt" qui fait que le PC esclave lance ses acquisitions. Une fois terminé, ce sont les PC esclaves qui envoient un fichier "fini.txt" dans un directory du PC maître qui indique à celui-ci qu'il peut déplacer le télescope sur le champ suivant. La synchronisation entre PC en utilisant ce protocole d'échange de fichier textes est au pire de 1.5 secondes de temps, mais bien souvent moins, donc on ne perd que peu de temps durant la nuit. Une fois une série d'observation terminée (typiquement 36 poses de 30 secondes) il écrit un fichier dans le directory "sync" du PC de traitement.

Nous utilisons la dernière version de tycho-tracker, et Georges a écrit des scripts qui permettent de lancer automatiquement tycho-tracker avec différentes options et qui surveillent le contenu du directory de synchronisation (sync). Lorsqu'une série d'images est terminée, le script utilisé cette nuit là peut commencer le traitement avec tycho.

Etant donné qu’avec le tracking synthétique on peut ajuster la recherche au type d’objet que l’on cherche à détecter, sachant également que si on veut réellement explorer toutes les vitesses et tous les angles de recherche, le temps de calcul croît exponentiellement, nous réalisons deux détections, une sur l’image en bin1 pour les objets lents (jusqu’à 1.2’’/min) et une sur les images en bin2 pour les objets rapides (jusqu’à 20’’/min). Dans ces conditions nous arrivons à maintenir une cadence temps réel.

Un des problèmes auxquels nous avons été confronté est que pendant que Tycho travaille sur les images nous ne pouvons pas l'utiliser pour vérifier les observations, choisir les objets intéressants dont il faut envoyer les mesures au MPC, etc... Pour celà, Georges a également écrit une application « tableau de bord » qui permet d’une part d’examiner les triplets d’images générés par tycho en fonction de leurs caractéristiques (objets connus ou inconnus) et leur niveau de confiance (paramètre calculé par tycho, qui peut être « high », « medium », « low » ou « none »). Dans les objets connus, même les « low » sont bien identifiés, et dans les objets inconnus, normalement un objet « high » a toute probabilité d’être réel, medium, il faut trier et il est rare qu’un objet « low » soit réel. Une fois un objet sélectionné, on peut voir sa vitesse et l’angle, les trois positions astrométriques générées par Tycho, on peut générer le message à envoyer au MPC, on peut également extrapoler sa position dans les heures qui suivent, et on peut cliquer sur un bouton « to confirm » qui envoie les mesures astrométriques dans un directory que le télescope de confirmation vient lire toutes les minutes. S’il trouve un fichier d’un objet à confirmer, il réalise l’observation. Le numéro des fichiers de confirmation est incrémenté au cours de la nuit. Il nous reste aussi à implémenter une série d’objets « to follow » qui sont les objets découverts au cours des nuits précédentes pour lesquels il faut faire une observation pour améliorer l’orbite.

Plus récemment Georges a également implanté le code de ndigest2 qui est un code du MPC qui permet de connaître la probabilité que tel ou tel astéroïde fasse partie de telle ou telle catégorie d'astéroïdes (géocroiseur, aréocroiseur, phocaea, hungaria, ceinture principale, etc...). Ce programme donne également une mesure de qualité sur les 3 points mesurés. Un astéroïde réel a généralement un RMS  bien inférieur à 0.2 alors qu'une fausse détection peut être à 1 ou 2... Il a également rajouté une estimation de l'orbite probable utilisant la sortie du programme findorb. Le tableau de bord permet réellement bien de sélectionner quels astéroïdes sont réels, quels suivre, etc...

Nous numérotons maintenant les objets découverts de la façon suivante :

On utilise les chiffres de 1 à 9, puis les lettres de A à Z puis de a à z, ce qui permet de coder jusqu'à 62 en n'utilisant qu'un seul caractère. Ce protocole a un peu évolué au départ, mais maintenant il semble relativement stable.

Premier caractère : le dernier numéro de l'année, donc 1 en ce moment, on pourra a priori utiliser ce codage jusqu'en 2082 :)

Second caractère : Mois de l'année de 1 (Janvier) à C (Décembre)

Troisième caractère : Jour du mois, donc de 1 à V (31 du mois)

Quatrième caractère : Numéro de la caméra, de 1 à 5, rajouté récemment, il était non présent dans les premières détections. Le 5 correspond au télescope de confirmation

Cinquième caractère : Numéro de l'image prise dans la nuit, de 1 à 62 éventuellement (de 1 à z)

Sixième et Septième caractère : Numéro de l'objet découvert durant la nuit. Comme nous observons très loin de l'écliptique (c'est un choix, d'aller dans le ciel du sud où personne d'autre ne scanne) nous ne trouvons que très peu d'objets mais lorsque nous trouvons un objet inconnu il est à tous les coups intéressants, soit un géocroiseur, ou un aréocroiseur (croiseur de Mars), un Hungaria, Phocea, etc... forcément une très forte inclinaison.

Actuellement sur un champ donné nous réalisons 36 poses de 30 secondes (soit 18 minutes au total) ce qui permet de détecter certains objets au delà de la magnitude 20.5. La proportion d'astéroïdes détectés évolue avec la magnitude. Sur un champ donné (calibré sur l'écliptique) nous détectons 80% des astéroïdes de magnitude 20 et seulement 20% des astéroïdes de magnitude 20.5.

Le site de San Pedro de Atacama (en fait au sud de San Pedro) est un très bon site avec un ciel bien noir et plus de 300 nuits claires par an.

calendrier2021

L’image suivante donne le calendrier 2021 (en bleu les nuits observées, même partiellement) et en gris les nuits où aucune observation n’a été faite. Les observations ont commencée en 2020 mais plutôt en mode test, maintenant le logiciel tourne tout seul et les observations ont repris le 7 Janvier 2021.

Les découvertes réalisées se trouvent sur cette page

Notre stratégie est de clairement observer dans les déclinaisons négatives où pour l'instant personne n'observe au delà de la magnitude 19. Nous optimisons la recherche d'astéroïdes vers les astéroïdes rapides. Etant à des déclinaisons très négatives nous ne trouvons quasiment aucun objet de la ceinture principale, sauf s'ils ont une très forte inclinaison.

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