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L’E-ELT et son miroir de 42 mètres : un casse-tête technologique

Comment construire un télescope de 42 mètres de diamètre, avec optique adaptative, capable de résister aux variations de températures d'un désert de haute montagne ? Jean-Gabriel Cuby, du laboratoire d'Astrophysique de Marseille, nous explique les points durs ce défi technologique.

L'E-ELT sera construit au Chil et devrait être opérationnel vers 2020. Crédit ESO L'E-ELT sera construit au Chil et devrait être opérationnel vers 2020. Crédit ESO

L’E-ELT et son miroir de 42 mètres : un casse-tête technologique - 3 Photos

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Le E-ELT (European Extremely Large Telescope), télescope géant de l’ESO, sera construit au Chili, sur le site de Cerro Armazones, un sommet de 3.060 mètres d’altitude situé à environ 20 kilomètres à vol d'oiseau de Paranal où se situe déjà le Very Large Telescope (VLT). Avec près de 320 nuits claires par an, un taux d’humidité et une stabilité atmosphérique remarquables, ce site permet également d’envisager d’importantes synergies avec d’autres instruments de ce gabarit de l’hémisphère sud (Alma, Square Kilometric Array).

Jean-Gabriel Cuby, du laboratoire d'Astrophysique de Marseille, nous avait présenté les objectifs scientifiques de l'E-ELT, aux performances hors du commun. Lorsqu’il sera opérationnel, cet instrument sera typiquement une dizaine de fois plus sensible que les grands télescopes optiques en service aujourd'hui, tels que les jumeaux Keck de 10 m ou les 4 télescopes de 8,2 m du VLT. « Dans certains cas d’observation, le gain pourra être de l'ordre de la centaine ». Avec une surface collectrice 25 fois plus grande que celle d’un télescope de 8 mètres, il supplantera Hubble et complétera le futur télescope spatial James Webb, « lequel restera très supérieur (en sensibilité) dans l'infrarouge thermique (au-delà de 2,5 microns) et même en imagerie en deçà de 2,5 microns. L'E-ELT sera supérieur en spectroscopie en deçà de 2,5 microns ». Malgré les effets de la turbulence atmosphérique, on s’attend à ce qu’il produise des images à la limite de diffraction 18 fois plus fines que celles de Hubble.

Un miroir en mille morceaux

Si la question de l'emplacement de l'E-ELT est réglée, les responsables s’apprêtent à relever le défi que pose sa construction, qui pourrait débuter en 2011 en vue d’une première lumière en 2018. La conception et la construction d’un télescope de cette envergure ne sont pas simples même si seuls un petit nombre de points durs posent quelques problèmes, « mais rien d’insurmontable ». L’E-ELT sera composé d’un miroir principal de 906 segments hexagonaux, d’un miroir secondaire de 6 m de diamètre et de trois autres miroirs.

Cette segmentation du miroir primaire est la seule solution possible pour « les très grands télescopes, qu’ils soient terrestres ou spatiaux ». Une technologie maîtrisée par les industriels américains et européens. Dans le cas du projet E-ELT, « ce qui nous préoccupe est la maîtrise du processus industriel pour en fabriquer un millier ». La firme qui les réalisera « devra être capable de les produire et de les tester à la chaîne dans des délais raisonnables » et garantir que chaque segment livré à l’ESO « répond aux spécifications et qu’il ne soit pas nécessaire de les retravailler ».

Problème, cela a un coût... L’ESO a lancé un contrat de démonstration portant sur la réalisation de 7 segments vers deux entreprises : Sagem en France et OpTIC Technium en Angleterre. Au final, un seul fournisseur sera vraisemblablement retenu. L’idée est de faire jouer la concurrence pour parvenir « à deux offres de prix que l’on souhaite évidemment les plus basses possible ».

Schéma conceptuel d'un des 906 segments du E-ELT, miroirs hexagonaux de 1,4 mètre de diamètre pour 5 centimètre d'épaisseur. En bleu, les actionneurs permettent de faire varier l'orientation de chacun d'eux. © ESO
Schéma conceptuel d'un des 906 segments du E-ELT, miroirs hexagonaux de 1,4 mètre de diamètre pour 5 centimètre d'épaisseur. En bleu, les actionneurs permettent de faire varier l'orientation de chacun d'eux. © ESO

Chaque segment devra répondre à des spécifications précises concernant la stabilité thermique, la forme, la rugosité et la qualité de surface. « Les gradients de températures sont l’ennemi des miroirs ». Il faut en effet que les miroirs ne se déforment pas alors que l’E-ELT fonctionnera par des températures négatives et positives susceptibles de varier plusieurs fois dans une journée de 24 heures ! Cela impose le choix du matériau pour le verre, par exemple « le zerodur, ou tout autre verre à très faible coefficient de dilatation thermique ». Quant à la surface du segment, elle doit épouser parfaitement la forme demandée, laquelle varie « selon la position du segment le long du rayon du miroir (plus le segment est sur la périphérie, plus sa déformation est grande) ».

Dans le même ordre d'idée, il faut que les défauts de bord soient également très faibles, autrement dit « que la surface optique aille jusqu'au bord physique du segment sans dégradation de la qualité de surface ». Enfin, il faut que le miroir soit le mieux poli possible, avec « la plus faible rugosité possible ». C'est par exemple important pour l'imagerie à haut contraste et la recherche de planètes extraterrestres, pour lesquelles « il faut minimiser toute lumière parasite ». Or, la rugosité, synonyme de défauts à hautes fréquences spatiales, « induit de la diffusion qui limite les performances de l'imagerie à haut contraste ».

Etude préliminaire du design du miroir adaptatif (M4) de l'E-ELT. L'optique adaptative, c'est lui. Ce miroir se déforme pour corriger en permanence l'image afin de compenser les effets de la turbulence atmosphérique. © ESO
Etude préliminaire du design du miroir adaptatif (M4) de l'E-ELT. L'optique adaptative, c'est lui. Ce miroir se déforme pour corriger en permanence l'image afin de compenser les effets de la turbulence atmosphérique. © ESO

Cherche partenaire pour finir de payer l'addition

Autre point dur, le miroir déformable de 2,50 mètres qui vise à corriger la turbulence atmosphérique. Il s’agit du quatrième miroir dans le train optique du télescope, « dont la conception représente un réel challenge qui nécessite un prototype ». Il s’agit d’un miroir adaptatif extrêmement fin derrière lequel on « met des actionneurs qui déforment le miroir à haute fréquence, plusieurs centaines de fois par seconde, de manière à compenser les perturbations de l’atmosphère ». C’est un composant très fragile. La lame de verre ne mesure que quelques millimètres d’épaisseur ! Le problème « c’est de la fabriquer, de la polir puis de coller les actionneurs dessus ». Et croiser les doigts :« Pour l’instant on a cassé trois de ces lames ».

Ce projet avoisine le milliard d’euros auxquels il faut ajouter une cinquantaine de millions d’euros pour l’exploiter chaque année ! Un coût nettement inférieur à Hubble… pour un diamètre 30 fois plus grand. Cette somme va contraindre l’ESO à « demander une augmentation de la contribution de ses Etats membres », explique Jean-Gabriel Cuby. Et d’ajouter que l’ESO pourrait également être « tentée de trouver un ou deux partenaires ».

Un temps pressentis, le Japon, la Chine et l’Inde ont rejoint le projet américain de télescope de 30 mètres. Le Brésil semble intéressé et pourrait apporter une contribution financière dont le montant reste à définir. Enfin, l’Union européenne pourrait contribuer mais de manière assez faible sur des fonds alloués aux projets d’infrastructures de recherche européennes.


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