Un thermomètre thermique pour le Soleil express
En cuisine, quand la poêle chauffe, la main sent la chaleur avant même de toucher. Le télescope solaire capte une chaleur invisible similaire, mais provenant de l'étoile, pas de la cuisinière. L'instrument nommé HATS détecte le rayonnement térahertz, qui était auparavant peu étudié en raison de difficultés techniques. Son cœur est une cellule de Golay, une petite chambre remplie de gaz qui se dilate sous l'effet de la chaleur et déplace un miroir.
Pour extraire le signal faible du bruit, un disque rotatif à fentes est placé devant le récepteur, interrompant le faisceau 20 fois par seconde. Le signal devient un scintillement, puis est traité mathématiquement. Les auteurs ont comparé deux approches : l'ajustement d'une sinusoïde et la transformée de Fourier rapide avec six « fenêtres » différentes, des filtres qui lissent les bords du signal de différentes manières. La fenêtre de Hamming a donné les meilleurs résultats : l'erreur n'était que de 15,48, et le coefficient d'étalonnage de 10,32 millivolts par degré Kelvin.
La précision de l'étalonnage n'est pas seulement importante pour le Soleil. Le même principe de modulation et de filtrage peut être utilisé dans les usines où il faut mesurer sans contact la température du métal en fusion, ou dans les instruments qui surveillent la vapeur d'eau dans l'atmosphère. En médecine, les rayons térahertz promettent un moyen sûr de regarder sous la peau sans rayons X. Ainsi, un petit thermomètre pour l'étoile aide à construire de grands instruments pour la Terre.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2608.12137v1
The THz range has been under-explored for solar astronomy, mainly due to technological limitations. Only recently, a few new telescopes, such as the High Altitude Terahertz Solar (HATS) photometer, have been monitoring the solar activity in this range of the spectrum. This paper presents the experimental characterization and voltage-to-temperature calibration of the HATS acquisition system. HATS uses a Golay cell for capturing the incoming radiation, modulated by a 20 Hz fork chopper. The amplitude of the signal is then obtained at predetermined time intervals by applying a windowing function and an FFT to the signal. To characterize this acquisition system, a blackbody calibrator, with temperatures varying from 100 to 500 C (373.15 K to 648.15 K), was used as a THz source, and two signal recovery methodologies were compared: sinusoidal curve fitting and FFT combined with six windowing functions (rectangular, Hamming, Hann, Barlett, Blackman, and Flat Top). Our quantitative results demonstrate high linearity in the system's response over the input source's temperature range, with the Hamming window achieving the highest precision, yielding a Root Mean Square Error (RMSE) of 15.48 and a calibration temperature-to-voltage factor of 10.32 +- 0.13 mV/K. In contrast, the Bartlett window presented the highest error (RMSE 16.02). The choice of windowing function had only a minor effect on the calibration factors, which ranged from 10.32 to 10.43 mV/K, all within the experimental uncertainties. Beyond solar photometry, the signal modulation and windowing concepts established here are highly applicable to other fields requiring high-sensitivity thermal detection, such as industrial pyrometry for high-temperature manufacturing, environmental monitoring of atmospheric water vapor, and the development of medical imaging systems based on Terahertz radiation for non-invasive tissue analysis.
La cellule de Golay a été inventée en 1947 pour les caméras thermiques militaires et est encore utilisée dans les détecteurs térahertz en raison de sa simplicité et de sa sensibilité.
Dans la série « Star Trek », le tricordeur médical scanne le corps sans contact – les capteurs térahertz, comme celui étalonné ici, rapprochent ces dispositifs de la réalité.