------------------------  Technical Note n°6  PHEMU  June 25, 1997  ------------------------

L'OBSERVATION VISUELLE DES PHENOMENES MUTUELS
IMCCE, UMR 8028 du CNRS
 

1. Introduction

L'Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides (ex-Bureau des longitudes) organise des campagnes d'observation des phénomènes mutuels des satellites galiléens de Jupiter. Ces phénomènes ne se produisent que tous les six ans et sont d'un grand intérêt astrométrique. Les satellites galiléens, qui sont connus depuis 1610, ont suscité de nombreuses observations et de nombreux travaux théoriques. L'exploration spatiale a relancé l'intérêt de ces travaux. En 1973 les sondes Pioneer, puis en 1980-81 les sondes Voyager, ont énormément fait progresser notre connaissance du système galiléen. Un effort particulier avait été fourni dès 1968 pour mieux connaître les mouvements des satellites galiléens et ainsi préparer ces missions spatiales. Pour cela, des observations photographiques faites au sol avec des instruments à long foyer avaient été utilisées. Conjointement avec d'anciennes observations photométriques d'éclipses et d'anciennes observations photographiques, elles ont permis d'obtenir une théorie des mouvements des satellites galiléens donnant leur position à environ 400 km près (ou 0.1" géocentrique). 
La précision des éphémérides des satellites galiléens peut être améliorée d'une part par des progrès dans la formulation mathématique du modèle dynamique du mouvement - c'est un travail en cours actuellement à l'Institut de mécanique céleste - et d'autre part par l'accroissement du nombre des observations précises qui sont utilisées pour ajuster la théorie. Les observations des phénomènes mutuels, qui sont particulièrement précises, peuvent permettre ce progrès. En 1973 et 1979 quelques observations de ces phénomènes avaient été obtenues: cela a permis d'en apprécier l'intérêt. En 1985, 1991 et en 1997 de véritables campagnes internationales d'observations coordonnées ont eu lieu. Afin de poursuivre cet effort justifié par la valeur des résultats obtenus, une nouvelle campagne va se dérouler en 2003 avec pour but d'avoir une bonne couverture en longitude, augmentant ainsi le nombre de phénomènes différents observables. Plus d'une cinquantaine de phénomènes sont observables depuis la plupart des sites d'observation et on se reportera aux fichiers et logiciels disponibles sur le serveur du Bureau des longitudes (http ://www.imcce.fr/phemu03.html) pour obtenir les dates, la nature et la visibilité des phénomènes. L'objet de la présente note est de décrire les phénomènes mutuels que tout amateur utilisant un instrument même de faible ouverture, pourra observer; c'est aussi d'indiquer les procédures et les précautions à prendre pour ceux qui désireront effectuer des observations visuelles et nous communiquer leurs données d'observation afin qu'elles soient exploitables. C'est surtout aux observateurs visuels d'étoiles variables que nous nous adressons.
 

2. Description des phénomènes mutuels

Les quatre satellites galiléens sont en orbites quasi coplanaires autour de Jupiter. Au cours de leur rotation, il arrive (généralement à chaque tour) que ces satellites passent derrière la planète ou dans l'ombre de celle-ci. Un observateur terrestre peut alors voir le satellite disparaître derrière Jupiter, ou bien s'éteindre à côté de la planète. Ce sont les phénomènes classiques d'occultation et d'éclipse par la planète elle-même ou son ombre. Des phénomènes analogues, entre satellites, peuvent également se produire, mais de façon bien plus rare. Tous les six ans, nous voyons les orbites des satellites galiléens "par la tranche". La Terre et le Soleil passent dans le plan des orbites : c'est alors que les phénomènes mutuels peuvent se produire (cf. Note Technique PHEMU n°1).
Il s'agit donc d'un alignement de deux satellites avec le Soleil ou la Terre, selon qu'il s'agisse d'une éclipse ou d'une occultation mutuelle. Dans le premier cas, un satellite pénètre dans l'ombre projetée par un autre satellite, et dans le deuxième cas, un satellite passe derrière un autre satellite par rapport à un observateur terrestre.
 

3. Qu'observe-t-on pendant ces phénomènes ?

Avant une occultation mutuelle on peut observer un rapprochement apparent des deux satellites concernés. Puis, à partir d'un instant qui dépend du pouvoir séparateur de l'instrument d'observation utilisé, les deux satellites deviennent confondus en une seule tache dont la luminosité va décroître rapidement, passer par un minimum et revenir à la valeur initiale avant que les deux satellites ne se séparent de nouveau. Pendant une éclipse mutuelle, le satellite éclipsé sera observé seul. Comme précédemment son éclat variera en passant par un minimum qui peut d'ailleurs être beaucoup plus profond que dans le cas d'une occultation où le satellite occultant ne disparaît bien entendu jamais.
La durée de cette variation d'éclat est de l'ordre de quelques minutes en général mais elle peut atteindre une heure ou même, exceptionnellement plus. L'amplitude de cette variation dépend des positions relatives des satellites et de leurs rayons ; on peut ainsi observer des phénomènes partiels, annulaires ou totaux. En général les observations d'éclipses mutuelles sont plus faciles à observer, car la variation d'éclat est souvent plus importante que dans le cas des occultations où l'on observe toujours deux satellites simultanément.
C'est l'observation de cette variation d'éclat qui fournit les renseignements intéressants. La donnée utile pour l'astrométrie est la forme de la courbe de lumière et la date correspondant au minimum de distance entre les deux satellites qui est proche de la date du minimum de lumière. Cette date est calculable par la théorie et dépend des positions relatives de ces astres. L'écart entre la prédiction et l'observation sera utilisé pour corriger le modèle théorique. De plus, l'atmosphère étant quasiment inexistante autour des satellites galiléens, l'interprétation de la forme des courbes de lumière observées ne présentent pas les difficultés rencontrées lors des observations d'éclipses par la planète. Dans celles-ci, en effet, la précision est fortement dégradée par la diffusion et la réfraction de la lumière pendant son passage dans l'atmosphère de Jupiter. C'est la raison pour laquelle les observations des phénomènes mutuels sont astrométriquement très intéressantes.
On peut d'ailleurs se reporter à d'autres articles déjà parus pour avoir des détails supplémentaires concernant l'observation des phénomènes mutuels (cf. Note Technique n°2).
 

4. Intérêt des observations visuelles

Pourquoi effectuer des observations visuelles, quand d'autres techniques peuvent prétendre à une précision bien supérieure? Outre l'intérêt pédagogique procuré par de telles observations et leur coté spectaculaire, l'observation visuelle peut être effectuée dans des conditions difficiles, là où les autres techniques sont souvent impraticables: ainsi, les phénomènes se produisant durant le crépuscule, ou très bas sur l'horizon, ou très près de Jupiter, ou enfin avec un ciel de mauvaise qualité (absorption variable), sont observables visuellement sans trop de difficulté. Une observation visuelle peut également permettre de lever une ambiguité par comparaison à une autre observation douteuse d'un même phénomène, effectuée sur un autre site. Les précédentes campagnes ont de plus montré que la précision des observations visuelles ont un niveau honorable, comme le montre la table ci-dessous qui donne une comparaison des précisions obtenues pour différents types d'observation. Tout cela ne peut qu'encourager les astronomes amateurs à effectuer ces observations en y apportant un soin particulier indispensable pour obtenir des résultats de qualité.

5. Technique d'observation

C'est l'enregistrement de la variation d'éclat, bien calée sur l'échelle de Temps Universel, qui est la donnée complète de l'observation. Pour l'obtenir, les chercheurs professionnels utilisent des photomètres photoélectriques ou des récepteurs CCD, matériels qui commencent d'ailleurs à se répandre chez les astronomes amateurs. Nous nous restreindrons cependant ici à décrire la technique d'observation visuelle, d'autres notes techniques PHEMU disponibles sur le serveur de l'IMCCE décrivent les autres techniques d'observation (photoélectrique, CCD, vidéo, ...). Les amateurs peuvent également obtenir une documentation détaillée auprès de la section photoélectrique de leur association.
L'objet de l'observation visuelle par les amateurs est donc de noter avec une bonne précision (de l'ordre de quelques secondes) quand l'éclat diminue, quand il est stable et quand il augmente, ces instants étant exprimés en Temps Universel. Ceci peut être réalisé, même par un observateur peu expérimenté, et permet ensuite de déterminer l'instant du début de la chute d'éclat, celui de la fin de la remontée et celui du minimum d'éclat. Cependant, de telles observations ne présenteront généralement pas une précision suffisante pour pouvoir être utilisée par la suite par les astronomes améliorant les modèles dynamiques. Obtenir des données précises utilisables est cependant possible pour un observateur un peu entraîné: un observateur plus expérimenté utilisera une méthode de comparaison d'éclat, telle que celle utilisée par les observateurs d'étoiles variables, et qui permet de mieux décrire cette variation d'éclat. Il s'agit alors d'estimer l'éclat du satellite, occulté ou éclipsé, par comparaison avec l'éclat d'un satellite voisin. L'idéal est de pouvoir disposer, comme pour les estimations d'éclat d'étoiles variables, de deux repères d'éclat (satellites ou étoiles), l'un plus brillant que l'objet variable et l'autre plus faible. Au voisinage de Jupiter on devra le plus souvent se contenter d'estimer l'éclat au moyen d'un seul repère : un autre satellite galiléen.
La courbe de lumière servant simplement à déterminer des instants caractéristiques, il n'est pas nécessaire de connaître la magnitude absolue du ou des repères d'éclat utilisés. On estimera simplement les différences d'éclat en "degrés", selon la méthode d'Argelander (cf. Dumont et Figer, 1973). On trouvera dans la Note Technique n°8 des examples de courbes observées lors des dernières campagnes dont certaines d'entre elles ont été observées visuellement. L'échelle des ordonnées est graduée en degrés arbitraires. Le zéro de l'échelle est l'éclat du satellite-repère, et on a porté sur un graphique l'écart en degrés entre le satellite éclipsé et le repère, en fonction du temps. On constate souvent, pour les phénomènes rapides, que la variation d'éclat est très rapide à proximité de l'instant central d'une éclipse: plus d'une demi-magnitude par minute. Dans ces conditions, il importe de faire des estimations visuelles rapides. On ne dispose en fait que de quelques secondes pour se décider sur la valeur d'estimation, alors que classiquement une estimation visuelle d'éclat d'étoile variable prend une trentaine de secondes à partir du moment où l'objet est pointé (et parfois beaucoup plus pour les variabilistes débutants).
Les satellites de Jupiter étant très brillants au télescope, on peut conseiller de défocaliser légèrement pour faciliter les estimations d'éclat. On aura particulièrement avantage à le faire dans le cas des occultations où il s'agit d'estimer l'éclat global des deux satellites qu'il est préférable de ne pas séparer visuellement et aussi de ne pas utiliser un trop fort grossissement. Par contre, un plus fort grossissement est conseillé dans le cas des éclipses afin d'augmenter la distance apparente entre le satellite éclipsé et le satellite éclipsant (repère d'éclat) si ce dernier est trop proche. De même, on augmentera ainsi la distance apparente à la planète Jupiter si celle-ci est trop proche, car sa luminosité est gênante pour les estimations d'éclat.
 

6. Dépouillement des mesures

Le dépouillement et la réduction des données seront faits numériquement. Vous pouvez essayer vous-même de déterminer l'instant du minimum d'éclat. Pour cela, on utilise généralement la méthode graphique de symétrie, mais, si la qualité des observations le justifie, on peut employer des méthodes numériques plus élaborées comme la méthode de Kwee et Van Woerden (1956). Cependant, ces méthodes sont peu fiables car une courbe de lumière de phénomène mutuel n'est pas toujours symétrique. Nous préférons donc que vous nous transmettiez des données brutes sous forme d'une liste de mesures, à chaque instant correspondant une valeur d'éclat. Seul ce type de données -et à condition que les mesures soient calées à mieux qu'une seconde près sur le Temps Universel- permettra d'obtenir après réduction une précision intéressante.
 

7. Les précautions à prendre

Ces observations de phénomènes mutuels, pour être réussies, doivent donc être réalisées en prenant un certain nombre de précautions indispensables.

a) Bien analyser la prédiction du phénomène (cf. les prédictions sur le serveur http://www.imcce.fr/phemu03.html de l'IMCCE ainsi que les configurations des satellites) pour préparer l'observation: Jupiter en particulier peut gêner énormément l'estimation d'éclat des satellites, de par sa proximité. Certains phénomènes prédits se passent d'ailleurs devant la planète, et ne sont donc que des curiosités. La durée et la grandeur approximatives du phénomène sont importantes à connaître, l'observateur ne devant pas être surpris par ce qu'il observe (notez que les phénomènes de grandeur faible inférieure à une chute de flux de 10% sont très difficiles à observer).
Il est nécessaire également de connaître l'instant prédit du début du phénomène et la durée de celui-ci, en sachant que les défauts des éphémérides peuvent occasionner des écarts de 1 à 5 minutes de temps avec les observations: ne vous étonnez donc pas d'une avance ou d'un retard du phénomène par rapport à la prédiction, et commencez vos observations suffisamment tôt !

b) Connaître la configuration des satellites pour ne pas se tromper de satellite (c'est déjà arrivé!). Il est en effet nécessaire bien sûr de savoir identifier le ou les satellites intéressants (attention aux champs inversés), mais également il est important de ne pas être gêné par l'approche éventuelle d'un troisième satellite ou par la disparition derrière ou dans l'ombre de Jupiter du satellite choisi comme repère d'éclat... Un logiciel pour PC est disponible pour cela à http://www.imcce.fr/ephemeride.html .

c) Disposer d'un magnétophone. Il est nécessaire de pouvoir enregistrer tout ce qui se passe pendant l'observation: les commentaires de l'observateur, les tops sonores donnant la base de temps et les estimations d'éclat avec l'instant de l'estimation. Sans magnétophone, la présence d'un aide qui note toutes ces données scrupuleusement est indispensable.

d) Prévoir un chronométrage précis.
Il n'est pas inutile de rappeler que seule une observation bien rattachée au Temps Universel (UTC) sera exploitable. On peut par exemple disposer d'une montre à quartz, dont on connaît l'écart et la dérive avec le Temps Universel (effectuer une comparaison avant et après l'observation). Un aide annonce l'heure à la seconde près, donne un top qui est enregistré, et prend des notes, en particulier les estimations d'éclat correspondant à l'instant annoncé. Le Temps Universel est disponible soit par téléphone (horloge parlante), soit au moyen d'un récepteur radio captant un émetteur de Temps Universel (3170, 4525, 75, 50, 77.5 kHz). Encore une fois, insistons sur le fait qu'une observation non rattachée à une seconde près au Temps Universel ne présente aucun intérêt.

e) S'exercer, avant la période des phénomènes mutuels, à observer les éclipses des satellites par Jupiter (ce qui constitue une bonne préparation), ou des étoiles variables très rapides (RZ Cas, CY Aqr,...). Envoyez-nous les données ainsi obtenues.

f) Préparer une procédure écrite et minutée de tout ce qu'il y a à faire avant et après l'observation, et la suivre consciencieusement.
 

8. La rédaction d'un compte-rendu

Pour pouvoir être utilisable une observation doit être accompagnée d'un certain nombre de renseignements. Nous proposons donc aux amateurs intéressés de rédiger un court compte-rendu de chaque observation de phénomène mutuel donnant les informations suivantes:

- nom de l'observateur et adresse ;
- lieu de l'observation et ses coordonnées géographiques ;
- type de phénomène observé ;
- date (jour, mois) ;
- instrument utilisé (diamètre, longueur focale, lunette ou télescope, grossissement utilisé, indiquez aussi si vous avez défocalisé légèrement) ;
- qualité estimée de l'observation (sûre, moyenne, douteuse) ;
- qualité du ciel, stabilité des images, conditions météorologiques (brume, passages nuageux,cirrus...) ;
- présence de la Lune, crépuscule... ;
- hauteur de Jupiter sur l'horizon.

On trouvera en annexe un modèle de fiche de compte-rendu à reproduire pour chaque observation visuelle.

Donner également les résultats de l'observation :
- liste des valeurs d'éclat estimées et les dates précises correspondantes à la seconde près et en Temps Universel (ou horloge parlante);
- si A et B sont les repères et V est l'objet variable, les estimations d'éclat seront de la forme A(3)V (pour exprimer que le repère A est pus brillant de 3 degrés) ou, si l'on utilise deux repères, de la forme A(2)V(5)B (pour V plus faible que A de 2 degrés et plus brillant que B de 5 degrés). Ne pas omettre de donner l'identification des repères utilisés (voir en annexe n°1 pour plus de détails).
 

9. Conclusion

Nous venons de décrire une technique pour l'observation visuelle des phénomènes mutuels des satellites galiléens. D'autres méthodes utilisant un matériel plus conséquent sont applicables par des amateurs et sont décrites dans d'autres notes techniques PHEMU: par exemple l'utilisation d'une caméra de télévision et l'enregistrement sur magnétoscope.
Enfin, envoyez-nous vos premières observations ou vos observations préliminaires rapidement: nous pourrons alors vous conseiller pour améliorer éventuellement la procédure utilisée. N'hésitez pas à nous contacter pour de plus amples renseignements :
- à l'IMCCE (ex-Bureau des Longitudes), Campagne PHEMU03, 77 avenue Denfert-Rochereau, F-75014 Paris, (ou par e-mail à : phemu@imcce.fr),
 

REFERENCES

Arlot, J.-E. : 1973, L'Astronomie 87, 287
Arlot, J.-E. : 1984, Ciel et Espace 202, 11
Arlot, J.-E., Figer, A., Thuillot, W.: 1985, L'Astronomie 99, 179
Bergeal, L.: 1987, L'Astronomie 101, 487
Brinkman, R.T., Millis, R.L. : 1973, Sky and Telescope 45, 93
Buzzoni, A.: GEOS FT 16: Il metodo della correlazione lineare per il calcolo dei minimi nelle binarie ad eclisse: teoria ed applicazioni
Dumont, M. Figer, A. : 1973, L'Astronomie 87, 141
Ferrand, S.: 1987, Supplément aux Annales de Physique 12, 123
Gaspani, A.: GEOS FT 42: Applicazione dell'algoritmo ESRA alla ricerca del minimo delle curve di luce.
Johnson, T.V., Yeates, C.M. : 1983, Sky and Telescope 66, 99
Kwee, K.K., Van Woerden, H. : 1956, Bull. Astr. Inst. Neth. 12, 32
 
 

PHENOMENE OBSERVE :
 
NOMS DES OBSERVATEURS:
ADRESSE:
LIEU DE L'OBSERVATION:
Coordonnées géographiques: (longitude: h m s; latitude: ° ' "; altitude= m).

CONDITIONS météorologiques (brume, passages nuageux?):
Qualité du ciel (stable, transparent?):
Stabilité des images:
Hauteur sur l'horizon au moment de l'observation:
Crépuscule? Lune?

INSTRUMENT UTILISE:
Télescope ou lunette?
Ouverture:
Focale:
Grossissement utilisé:
Défocalisation effectuée?

BASE DE TEMPS utilisée (référence?):
Echelle de Temps utilisée (horloge parlante,...):

ESTIMATION de la qualité de l'observation
(sûre, moyenne, douteuse...):
Estimation de la valeur en magnitude de votre "degré" personnel utilisé pour les comparaisons d'éclat:

COMMENTAIRES ET REMARQUES:
Joindre la liste des estimations d'éclat effectuées avec l'instant de chacune d'elles.
Indiquer les astres de référence utilisés avec leur magnitude visuelle à la date de l'observation.