ELTs : Les très grands télescopes du futur

Le diamètre des télescopes, depuis la première lunette astronomique de Galilée et le télescope de Newton (figure 1) jusqu’aux télescopes géants d’aujourd’hui a augmenté d’un facteur 100, ce qui correspond a une augmentation de la puissance collectrice d’un facteur 10000 !


Gauche : lunette de Galilée.
Droite : réplique du télescope de Newton

La figure ci-dessous illustre cette progression du diamètre des télescopes en près de 4 siècles, traduisant une augmentation d’un facteur ~ 2 tous les 50 ans. Est-ce que cette loi continuera à s’appliquer à l’ère post-industrielle, de la technologie et de la mondialisation des grands projets scientifiques, ou y a-t-il au contraire une limite pratique ou physique au gigantisme et aux réalisations humaines ?


Diamètre des principaux instruments astronomiques au cours des derniers siècles. Le diamètre a doublé environ tous les 50 ans.

Ce dossier, en partant des technologies en usage sur les grands télescopes actuels, fait le point sur les projets de très grands télescopes en préparation pour la prochaine décennie.

Sommaire

1)Introduction
2)Pourquoi des télescopes encore plus grands ?
3)Astronomie et technologie
4)La genèse des projets ELT, et le projet OWL
5)Les projets américains
6)Le projet européen E-ELT

1°) Introduction

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 1.8m de largeur, pour un diamètre total de 10m.

la segmentation, où 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 Hawaii 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.

l’optique active, où 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.

La Figure 4 illustre le principe du contrôle actif d’un télescope, monolithique ou segmenté.


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).

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.

2°) Pourquoi des télescopes encore plus grands ?

Ces télescopes de nouvelle génération ont permis ces dix dernières années de réaliser des progrès spectaculaires dans notre compréhension de l’Univers : plus de 200 planètes en dehors de notre système solaire ont été découvertes (septembre 2006), dont certaines ont pu être imagées directement et non détectées, comme les autres, par des méthodes indirectes ; l’accélération de l’expansion de l’Univers a été vérifiée par l’observation ; les vestiges des ondes sonores cosmiques émises peu après le Big Bang sont observés dans la distribution des galaxies jusqu'à nos jours ; nous perçons les confins de l’Univers, à l’âge où les premières étoiles et les premières galaxies se sont formées ; ...

Toutefois, beaucoup reste – et restera toujours – à découvrir. Environ 95% de l’Univers nous est encore inconnu, constitué à 25% d’une mystérieuse matière noire invisible à nos télescopes et d’une encore plus mystérieuse énergie noire responsable de l’accélération de l’expansion de l’Univers. (Voir figure ci-dessous)


Camembert illustrant les proportions de matière ‘normale’ (celle que l’on connaît), de matière noire et d’énergie noire.

Comment naissent planètes, étoiles, et galaxies ? Y a-t-il des signes de vie extraterrestre, ou tout au moins de conditions propices à l’émergence et au développement de la vie dans les planètes au-delà de notre système solaire ?


Le ‘bord rouge’, ou ‘red edge’, caractéristique de la végétation sur Terre. Les feuilles végétales réfléchissent fortement le rayonnement infrarouge, se protégeant ainsi d’un chauffage excessif qui détruirait la chlorophylle. Ce ‘bord rouge’ se situe entre 0.7 et 0.8 μm. Si l’œil était sensible à ces longueurs d’ondes, la végétation nous apparaîtrait comme très rouge et très brillante. Le pic de réflectivité légèrement au-dessus de 0.5 μm est quant à lui responsable de la couleur verte (pour notre oeil) de la végétation. Ce ‘bord rouge’ est une signature biologique caractéristique et très visible signalant la présence de végétation sur Terre. De telles signatures pourraient être recherchées avec les ELTs sur les planètes extrasolaires.
Et il y a bien d’autres questions encore sans réponses qui touchent autant à la physique fondamentale qu’au questionnement de l’espèce humaine sur ses origines et celles de l’Univers.

Ainsi en va-t-il de la science, répondre à des questions souvent ne fait qu’en soulever d’autres bien plus profondes encore. Les astronomes voudront toujours de nouveaux moyens d’observation, toujours plus grands, plus puissants, plus rapides. Rien d’étonnant donc à ce que la nouvelle génération de télescopes à peine terminée et en pleine phase de productivité scientifique les astronomes se soient remis à leur tableau noir – ou plutôt à leurs ordinateurs – pour imaginer les télescopes de demain.

3°) Astronomie et technologie

L’astronomie est une science qui repose sur le progrès technologique.

Depuis la révolution copernicienne qui ne s’appuyait que sur des mesures effectuées à l’œil nu (aidé quand même de quelques instruments de mesure), les autres grandes découvertes astronomiques ne furent possible que grâce aux télescopes équipés des instruments les plus sophistiqués de leur époque. Ainsi de la découverte de l’hélium, de l’expansion de l’Univers, de l’existence de matière noire, de l’énergie noire, etc.

L’astronomie se nourrit donc du progrès technologique, comme elle nourrit en retour la technologie. Souvent des techniques sont initiées par les astronomes, dans le domaine des détecteurs, de l’optique, des techniques spatiales, etc. comme par exemple l’optique adaptative développée pour la correction des images astronomiques dégradées par l’atmosphère et aujourd’hui utilisée en médecine pour l’imagerie rétinienne.


Exemple de valorisation d’une technique initiée par les astronomes : image de la rétine réalisée par optique adaptative. Cette technique développée par les astronomes est maintenant rentrée à l’hôpital afin de prendre des images rétiniennes à haute résolution, images autrement impossibles à réaliser, permettant ainsi la prévention et / ou le traitement de maladies de l’œil. L’image de gauche est la partie centrale de la rétine, où l’on distingue nettement les cônes (les granules) dont la taille est de 2 à 4 µm de diamètre. Les cônes sont les cellules réceptrices de l’œil, tels les pixels d’une caméra CCD.

L’astronomie est donc une science très présente sur le front des développements technologiques et qui induit un fort retour de l’investissement public auprès des industriels qui participent à la réalisation des grands instruments de la discipline. Ce sont ainsi plusieurs milliards d’euros qui sont ainsi injectés chaque année dans le secteur industriel par l’astronomie mondiale. Etant donné le long temps de développements des grands projets (typiquement 20 ans ou plus entre la conception initiale et la réalisation), il y a souvent un décalage entre ce que permet un instrument en opération et l’état de l’art de la technologie qui lui correspond.

C’est pourquoi il y a toujours des projets en gestation alors que les projets en cours ne sont même pas terminés ! Tel est bien le cas des ELTs dont les premiers concepts ont été avancés alors qu’aucun des télescopes de 8 ou 10 mètres de diamètre n’était encore opérationnel !

4°) La genèse des projets ELT, et le projet OWL

C’est ainsi que des télescopes de 25 mètres et plus ont été proposés dès le début des années 90 en Europe, en particulier par les astronomes des pays nordiques. La France a un temps envisagé la construction d’un télescope de 15-20 mètres de diamètre pour remplacer son télescope CFHT (partagé avec les Canadiens et l’état d’Hawaii aux Etats-Unis), alors que les Californiens entamaient une étude d’un télescope de 30 mètres de diamètre.


Figure 5 : Projet de télescope de 100 mètres de diamètre de l’ESO

Vers les années 1997 -1998, c’est l’ESO qui prit un ascendant spectaculaire dans la course aux grands diamètres en proposant un télescope de 100 mètres (voir Figure 5) ! Ce projet, baptisé OWL (comme Overwhelmingly Large Telescope, et qui signifie également chouette en anglais, pour illustrer la vue perçante de ce télescope), est maintenant abandonné en l’état, l’Europe se concentrant, via l’ESO, sur une étude d’un télescope de l’ordre de 40 mètres de diamètre. Toutefois, ce télescope OWL restera dans l’histoire comme le premier projet plausible de télescope permettant de faire l’image d’une planète de type terrestre en dehors du système solaire. En effet, un des objectifs démontrés de ce projet était la recherche d’exo terres autour des 500 étoiles de type solaire distantes de moins de 100 années-lumière de notre terre (voir Figure 6).


Figure 6 : Simulation d’un système planétaire comprenant deux planètes similaires à Jupiter et à la Terre en taille et en distance à l’étoile, tel qu’il pourrait être observé à 30 années-lumière par un télescope de 100 mètres de diamètre. Le contraste (rapport d'intensité) entre l'étoile et la 'Terre' est de l'ordre d'un milliard ! Le flux provenant de l'étoile centrale a été supprimé par coronographie, il ne reste qu'un bruit résiduel associé à l'étoile

Ce projet – en dépit de ses très grandes qualités et de ses ambitions – était toutefois très risqué sur le plan technologique, et l’ESO, en consultation avec sa communauté et sur l’avis d’experts internationaux, lui a préféré un projet de moindre envergure mais moins risqué, et … moins coûteux. Les perspectives d’imagerie d’exoplanètes de type terrestre se sont par la même occasion considérablement éloignées, car même un télescope géant de 30 ou 40 mètres n’atteindra les performances requises qu’autour des quelques étoiles les plus proches du soleil, réduisant statistiquement quasiment à néant les chances d’y découvrir une planète similaire à la nôtre.

5°) Les projets américains

A l’heure actuelle deux projets sont en phase d’étude aux Etats-Unis : le GMT (Giant Magellan Telescope) et le TMT (Thirty Meter Telescope). Le GMT est un télescope de 21 mètres de diamètre (équivalent) dont le miroir primaire consiste en 7 miroirs monolithiques de 8 mètres de diamètre (voir Figure 7).


Figure 7 : Représentation du projet GMT (Giant Magellan Telescope) de 21 mètres de diamètre. 7 miroirs de 8 mètres de diamètre sont montés sur une même structure.

Deux des miroirs sont en cours de réalisation – alors même que le budget de l’ensemble du projet n’est pas encore acquis ! Une des raisons est que la durée de fabrication d’un seul ‘segment’ de 8 mètres de diamètre requiert entre une et deux années de travail, et qu’il n’existe qu’une seule machine pour les réaliser !


Figure 8 : Une autre représentation du GMT. On notera l’échelle indiquée par la taille d’une personne à la base du télescope.

Afin donc d’accélérer le processus, la fabrication du premier segment a été lancée en 2005, permettant, en principe, la réalisation de l’ensemble du télescope, son assemblage et ses tests (qui durent au moins une année après l’assemblage final) pour une mise en opération en 2015.


Figure 9 : Représentation du projet TMT de 30 mètres de diamètre. Le miroir primaire consiste en plus de 700 segments de 1.2 mètres de diamètre.

Le TMT est quant à lui un projet de télescope de 30 mètres de diamètre fortement inspiré du télescope Keck. Le miroir primaire consiste en 738 segments de 1.2 mètres de diamètre et 4.5 cm d’épaisseur.


Figure 10 : Une autre représentation du TMT.

Le projet prévoit 2 immenses plateformes (dites Nasmyth) de chaque coté du télescope ou seront installés les instruments, de la taille d’un terrain de tennis ! Certains instruments pourront même atteindre la taille d’un autobus !


Figure 11 : Une autre représentation du TMT. On notera la coupole de type calotte, similaire à celle qui équipe le télescope Bernard Lyot à l’Observatoire du Pic du Midi !

6°) Le projet européen E-ELT

Faisant suite à OWL, le projet européen E-ELT est en phase de définition accélérée à l’ESO, en consultation avec la communauté astronomique européenne. Le diamètre actuellement considéré et utilisé pour les premiers designs est de 42 mètres. Ce chiffre – précis en l’état de définition du projet – n’est pas tout à fait dû au hasard : le carré (puissance 2) de 42 est à peu près égal à deux fois le carré de 30, autrement dit la surface collectrice d’un télescope de 42 mètres est deux fois celle d’un télescope de 30 mètres ! L’Europe serait donc, si ce diamètre est maintenu, deux fois plus puissante que les Etats-Unis !


Figure 12 : Schémas optiques du télescope de ~ 40 mètres de diamètre en cours d’étude à l’ESO.

Bien qu’anecdotique, ceci traduit toutefois la très forte volonté des Européens de préserver leur supériorité en astronomie optique au sol, supériorité acquise avec le télescope VLT de l’ESO à la fin de la dernière décennie. Par ailleurs, et non moins anecdotique, 42 se trouve être la réponse à la grande question sur la vie, l’univers et le reste dans le roman de science fiction ‘Le guide du voyageur galactique’ (The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy) de Douglas Adam, adapté au cinéma dans le film H2G2 de Garth Jennings sorti en 2005.

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Figure 13 : Vue d’ensemble de la structure du projet de télescope de ~ 40 mètres de diamètre en cours d’étude à l’ESO.

L’ESO poursuit donc à rythme accéléré l’étude de ce télescope géant du futur, soutenu par la communauté astronomique européenne et les états membres, afin que ce projet aboutisse à l’horizon 2016, sur un calendrier similaire à celui des projets américains, quelques années à peine après la mise en opération d’autres instruments majeurs de l’astronomie du futur, tels que le télescope James Webb (JWST), successeur de Hubble, construit par l’ESA et la NASA, et le télescope sub-millimétrique ALMA en cours de construction sur un haut plateau andin au Chili en partenariat entre l’Europe et les Etats-Unis.

Ainsi, à la fin de la prochaine décennie, les astronomes du monde entier auront à leur disposition de tous nouveaux et extraordinaires moyens d’investigations surpassant en puissance et en qualité nos moyens actuels, nous offrant ainsi une vision aujourd’hui impossible à même imaginer de l’Univers et de nos origines.


réalisé par: A.C