ELT, les techniques d'optique des Extremely Large Telescopes

La décennie passée a vu l'émergence de télescopes optiques géants de nouvelle génération, avec aujourd'hui 13 télescopes de diamètre supérieur à 8 mètres en opération ou sur le point de l'être.

Ces télescopes, au contraire de la génération précédente de télescopes de moins de 6 mètres de diamètre utilisant des miroirs monolithiques non déformables, très épais et donc très lourds, utilisent au contraire la possibilité de contrôler en permanence les déformations de miroirs très minces et donc déformables (sous l'action de la gravité, du vent, des effets thermiques, etc.).

Deux techniques d'optique dite « active » sont utilisées.

Figure 1. Miroir primaire segmenté du télescope Keck, consistant en 36 segments hexagonaux de 1,8 m de largeur, pour un diamètre total de 10 m. © Keck Observatory 

Optique pour les télescopes : la segmentation

Le miroir primaire du télescope est constitué d'un ensemble de segments jointifs (en général de forme hexagonale) de plus petit diamètre et de faible épaisseur. Par exemple, le miroir primaire du télescope américain Keck situé à Hawaï d'un diamètre de 10 mètres est constitué de 36 segments de 1,8 mètre de diamètre (voir Figure 1). Chaque segment est contrôlé et maintenu en position par un ensemble de pistons/actuateurs de l'autre côté de sa surface afin que la surface totale préserve sa forme idéale, parabolique ou hyperbolique.

Figure 2. Vue d'un des télescopes de 8 mètres de diamètre du VLT (ESO, Chili). On distingue le miroir primaire monolithique dans sa cellule qui abrite les 150 actuateurs controlant la surface du miroir. La figure 3 montre la surface arrière du miroir. © ESO  

L'optique active pour les télescopes

Le miroir primaire est monolithique, de faible épaisseur et par conséquent souple (aux grandes échelles, la surface étant quant à elle parfaitement polie avec une rugosité de l'ordre de quelques dizaines de nm). Un système d'actuateurs permet alors de compenser les déformations et de reformer la surface optique idéale. Ainsi en est-il des 4 télescopes de 8 mètres de diamètre du VLT, télescope de l'ESO (European Southern Observatory) installé au Chili (voir Figure 2 et Figure 3).

Figure 3. Vue de la surface arrière d'un des miroirs de 8 mètres de diamètre du VLT (ESO, Chili) avec les 150 points d'accrochage pour les actuateurs qui contrôleront la surface du miroir en cours d'observation. L'épaisseur du miroir est de 17 cm. © ESO 

La limite technologique d'environ 8 mètres de diamètre pour un grand miroir monolithique prévaut encore aujourd'hui. Ainsi, la seule possibilité pour réaliser d'encore plus grands télescopes, au-delà des 10 mètres, est la segmentation.

Figure 4. Principe du contrôle actif d'un télescope actif ou segmenté. Les pistons (actuateurs) sous le miroir servent à corriger les déformations du miroir primaire pour lui donner la surface optique idéale. Dans le cas d'un miroir monolithique actif les pistons compensent les déformations de celui-ci, dans le cas d'un miroir segmenté ils servent à maintenir en position les segments les uns par rapport aux autres afin d'épouser, dans les deux cas, la surface idéale (généralement une parabole ou une hyperbole). © ESO