Les systèmes d’optique adaptative des instruments du futur télescope géant de l’ESO seront complètement automatisés, que ce soit pour leur utilisation ou pour leur étalonnage. © ESO, L. Calçada/ACe Consortium

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L’optique 2.0 des futurs télescopes géants arrive

ActualitéClassé sous :E-ELT , Cerro Armazones , ESO

Pour tirer parti de toute la capacité optique des futurs télescopes géants, il est nécessaire de doter ces observatoires, de près de 40 mètres de diamètre, d'une optique adaptative très performante. Pour le E-ELT de l'ESO, dont la construction a débuté, cette optique adaptative utilisera un miroir déformable piloté par des algorithmes si puissants qu'ils seront capables de corriger la turbulence atmosphérique à l'échelle d'une centaine de nanomètres tout au long de 15 kilomètres de couche turbulente. Damien Gratadour, astronome à l'Observatoire de Paris et responsable de l'équipe Contrôle temps-réel du Leisa, nous explique cette véritable performance.

L'un des défis majeurs dans la réalisation des futurs télescopes géants concerne la dégradation des images par la turbulence atmosphérique. Ce phénomène est géré par tous les grands télescopes en service aujourd'hui grâce à l'utilisation de systèmes d'optique adaptative. Ils déforment le miroir en permanence pour compenser ces turbulences en temps réel mais aussi pour corriger les défauts des miroirs principaux et secondaires.

Mais, avec des diamètres de près de 40 mètres, de trois à quatre fois plus larges que ceux des plus grands télescopes existants, il sera nécessaire de doter ces grands observatoires d'optiques adaptatives avec des actionneurs. Ces derniers devront être capables de déformer des miroirs à haute fréquence, plusieurs centaines de fois par seconde, de manière à compenser les perturbations de l'atmosphère. C'est la condition sine qua non si l'on souhaite tirer parti de toutes leurs performances optiques et améliorer la résolution angulaire ainsi que l'acquisition d'objets distants faiblement lumineux.

Si la réalisation de ces optiques adaptatives est un défi technologique inédit, il faut savoir que celle du futur E-ELT utilisera un miroir elliptique dédié de 2,4 m X 2,5 m. Il sera déformable avec plus de 5.300 points d'actionnements dont les actionneurs seront pilotés par des algorithmes qui vont « permettre d'atteindre des niveaux de correction de la turbulence sans précédent », nous explique Damien Gratadour, astronome à l'Observatoire de Paris et responsable de l'équipe Contrôle temps réel du Leisa.

Ces nouveaux algorithmes ont été testés avec succès avec le système d’optique adaptative du télescope de Subaru de l’Observatoire national d’astronomie du Japon (NAOJ). @ National Astronomical Observatory of Japan

Pour comprendre la performance de ces algorithmes, il faut savoir qu'ils seront utilisés « en temps réel pour apporter une correction quasi parfaite de la turbulence atmosphérique », en suivant la turbulence le plus vite possible, « avec une échelle de temps inférieure à la milliseconde ». Ces algorithmes seront donc prédictifs, c'est-à-dire « capables de prédire le comportement de la turbulence de l'atmosphère, avec un temps certes extrêmement court (une milliseconde), mais dans un volume entier de perturbation sur toute la hauteur des couches turbulentes au-dessus du télescope, environ 15 kilomètres ».

Une réelle performance ! Si ambitionner de prédire le comportement de l'atmosphère, à la milliseconde près, peut faire sourire, il faut comprendre que les « perturbations à corriger sont à l'échelle d'une centaine de nanomètres et tout au long de ces 15 kilomètres ! » On comprend mieux pourquoi cette échelle de temps, la milliseconde n'a évidemment pas été prise au hasard, devient critique. Cette milliseconde correspond au « temps d'acquisition d'une image et à sa réception par l'optique adaptative ». Ces algorithmes seront prédictifs et, au fur et à mesure de leur utilisation, ils seront capables « d'anticiper les perturbations optiques en évolution rapide induites par l'atmosphère terrestre ».

En quête de vie dans l’univers

Demain, avec ces observatoires géants, il sera possible d'explorer l'univers, et ce, du plus près au plus lointain, de façon à remonter dans le temps autant que possible pour analyser la création de la matière, des premières étoiles et galaxies. Parmi les objectifs scientifiques du E-ELT, d'ailleurs commun ou voisin à tous les autres grands observatoires en développement, les exoplanètes et les objets distants tiennent une place à part.

Les planètes extrasolaires seront vues avec des « niveaux de détails sans précédent », ce qui permettra d'étudier la composition de leur atmosphère. Et pour celles, plus proches de nous, il sera possible de sonder « l'activité biologique et déterminer leur composition atmosphérique » voire, pour les planètes semblables à la Terre, « rechercher des signes de vie tels que l'oxygène, l'eau ou le méthane ». Quant aux objets les plus distants, les astronomes font le pari d'atteindre des niveaux de sensibilité si élevés qu'il sera « possible de voir la manifestation des toutes premières étoiles se formant dans les premières galaxies ».

  • La turbulence atmosphérique dégrade les images et les rend floues.
  • Pour la corriger, les observatoires terrestres géants, de près de 40 mètres, utiliseront des miroirs déformables plusieurs centaines de fois par seconde.
  • Pour les piloter, des algorithmes capables de performances inédites.
Pour en savoir plus

L’optique 2.0 du futur télescope géant E-ELT

Article de Rémy Decourt publié le 23/11/2015

Avec un diamètre de 39 m, le miroir du futur télescope géant E-ELT de l'ESO impose la mise au point de nouvelles techniques pour l'optique adaptative, qui ne pourra pas fonctionner de la même manière que sur les actuels instruments de 8 à 10 m. Six pétales, quatre lasers, deux modes de travail : la complexité est d'une autre échelle, comme nous explique Thierry Fusco, de l'Onera.

Un des défis majeurs dans la réalisation du futur E-ELT, le télescope géant de l’ESO (39 m de diamètre), concerne la dégradation des images par la turbulence atmosphérique. Ce phénomène est géré par tous les grands télescopes en service aujourd'hui grâce à l'utilisation de systèmes d’optique adaptative, qui déforment le miroir en permanence pour compenser ces turbulences en temps réel. Mais avec un diamètre près de cinq fois plus grand que les miroirs de l'actuel VLT, la difficulté est tout autre. « L'E-ELT sera le premier télescope géant adaptatif », nous explique Thierry Fusco, spécialiste de l’optique adaptative à l'Onera (le centre français de la recherche aéronautique, spatiale et de défense). Concrètement, le quatrième miroir du train optique du télescope, elliptique (2,4 x 2,5 m), sera déformable avec plus de 5.300 points d'actionnement.

Ce miroir adaptatif extrêmement fin repose sur « 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 donc un objet très fragile : la lame de verre ne mesure que quelques millimètres d'épaisseur ! « Le couplage entre l'analyseur et le miroir sera bien plus complexe que dans les systèmes actuels. »

Le M4 est un miroir en vitrocéramique constitué de six pétales minces. Son épaisseur, très faible (quelques millimètres), doit être uniforme sur l’ensemble de la surface, avec une grande précision. En tout, l'instrument comportera cinq miroirs, dont l'un, de 2,5 m, sera adaptatif, capable de corriger en temps réel les turbulences atmosphériques. © ESO

De plus, tous les instruments de l’E-ELT utiliseront plusieurs types d'optique adaptative aux performances complémentaires. Cette configuration, très différente des systèmes en service aujourd'hui, est nécessaire car les observations effectuées avec l'E-ELT « doivent pouvoir servir toutes les communautés astrophysiques (système solaire, milieu interstellaire, galaxies, cosmologie) ».

Or, obtenir une image de qualité sur un très grand champ (quelques minutes d'arc) n'est possible qu'avec un seul système d'optique adaptative, de sorte que deux modes ont été prévus, « pour les observations de petits objets (planètes extrasolaires, système solaire), et pour les grands champs (galaxie, cosmologie), dont les objets envoient très peu de lumière ». Cela sera par exemple nécessaire pour adresser les multiples domaines visés par les instruments de l'E-ELT. Le télescope géant sera notamment capable de fournir des images très précises d'un tout petit champ de vue, typiquement quelques fractions de seconde d'arc (contre 31 minutes d'arc pour la Lune et 30 à 50 secondes d'arc pour Jupiter).

Dans un des deux modes, les systèmes d'optique adaptative « utiliseront des lasers générant des étoiles artificielles à plus de 90 km d'altitude ». Ceci va permettre d'observer n'importe où dans le ciel, en particulier des objets très faibles donc situés très loin (les toutes premières galaxies qui se sont formées dans l'univers par exemple). Cette technologie d'optique adaptative assistée par laser demande « la mise en place de toutes nouvelles approches de mesures et de reconstruction tomographique (dans le volume) de la turbulence atmosphérique ».

L'autre mode est plus simple. Il consistera à « prendre comme référence une étoile située à proximité de l'objet que les astronomes souhaitent observer ». Cela va ainsi permettre de résoudre des objets brillants et l'environnement proche de ces objets, ce qui est utile pour rechercher des exoplanètes par exemple.

L’E-ELT sera construit au sommet de Cerro Armazones, une montagne qui fait face à l’observatoire Paranal où est installé notamment le VLT. Cette montagne culmine à quelque 3.000 m d’altitude dans le désert d’Atacama, au nord du Chili. © Rémy Decourt

Les composants de l'E-ELT seront développés spécifiquement

L'Onera et le CNRS s'associent et vont réaliser ensemble les deux modules d'optique adaptative d'Harmoni (High Angular Resolution Monolithic Optical and Nearinfrared Integral field spectrograph). Ces deux organismes ont identifié des points durs qui vont nécessiter que « quasiment l'ensemble des composants clés des systèmes d'optique adaptative de l'E-ELT vont devoir être développés spécifiquement ».

Ce sera le cas du miroir déformable (en cours de définition par un industriel italien, avec des solutions alternatives proposées par des industriels et des PME français), des détecteurs rapides (plus de mille acquisitions par seconde) de grand format et sans bruit fonctionnant aux longueurs d'onde visibles et infrarouges (développés par des entreprises américaines et anglaises et par une PME française) ou des calculateurs en temps réel qui traiteront des flux de données massifs à des cadences extrêmement rapides (de l'ordre de la dizaine à la centaine de microsecondes).

Entre les systèmes d'optique adaptative de l’E-ELT et ceux en service aujourd’hui, il y a la même proportion, en complexité, qu'entre l’A380 d’Airbus et ce petit Cessna. © Droits réservés

Un changement d'échelle dans la complexité du télescope géant

« Pour prendre une analogie aéronautique, les systèmes que l'on imagine actuellement pour l'E-ELT par rapport à la génération précédente de télescopes sont l'équivalent d'un A380 par rapport à un Cessna. » Autrement dit, bien que le principe reste toujours le même, à savoir « modifier la forme d'un miroir pour s'adapter aux défauts », passer d'un télescope de la classe des 8 à 10 m à celle des 40 m « revient à multiplier plusieurs dizaines de fois la complexité ». Ce changement d'ordre de grandeur contraint les scientifiques à changer de paradigme pour la plupart des choix technique. « Le passage aux télescopes géants fait entrer l'optique adaptative dans une toute nouvelle ère. » À la différence d'un A380 (pour reprendre l'analogie précédente), ils ne nécessitent pas de pilotes spécialisés pour être exploités. « Ils sont complètement automatisés, que ce soit pour leur utilisation ou pour leur étalonnage. Un opérateur non spécialiste est suffisant pour l'observation routinière. »

Si le calendrier est respecté, sa mise en service est prévue au début des années 2020. La première lumière du télescope est prévue en 2024 et les premières lumières scientifiques en 2025 avec le spectrographe Harmoni (visible et infrarouge) et Micado, une caméra proche infrarouge dotée de capacités spectroscopiques et travaillant à la limite de résolution du télescope.

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