Un instrument pour analyser simultanément la lumière d'environ 1000 objets cosmiques

Publié par Redbran le 22/09/2021 à 13:00
Source: Observatoire de Paris
Au sommet du Roque de Los Muchachos sur l'île de La Palma aux Canaries, le télescope William Herschel vient d'accueillir son nouveau spectrographe multi-objets. Celui-ci va permettre d'analyser simultanément la lumière d'environ 1000 objets cosmiques répartis à différents endroits du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.).


Schéma de WEAVE et son implantation sur le télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant...) William Herschel. © WEAVE consortium

Un des huit objectifs de WEAVE est d'étudier les "quasi-stellar objects", des noyaux de galaxies qui abritent un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense...) et sont de puissantes sources de rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique...). Ces objets, observables à de très grandes distances, sont utilisés pour sonder la structure de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...), les propriétés des galaxies, et celles du milieu intergalactique dans les premiers trois milliards d'années à partir du Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a...).

Un autre objectif est d'étudier des objets très proches comme les naines blanches, des étoiles extrêmement denses. Avec les spectres WEAVE, nous déterminerons les masses et les températures de plus de 100 000 naines blanches, et donc leurs âges grâce à la loi de refroidissement des naines blanches.

Mais c'est le relevé d'"archéologie galactique" qui occupera la majeure partie du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) de WEAVE: les spectres des étoiles observés nous permettront de mieux comprendre la structure de la Galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec...), sa formation et son évolution au cours des longs 13,5 milliards d'années de son histoire.

La spectroscopie, ou comment décomposer la lumière des étoiles nous en apprend plus sur le cosmos

À la fin du XIXe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...), des astronomes tels que Jules Janssen (1824-1907) et Angelo Secchi (1818-1878) ont commencé à étudier systématiquement la lumière du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...), des planètes et des étoiles. Ils ont dispersé la lumière provenant de ces astres grâce à des "prismes", et en analysant les couleurs obtenues, ont étudié les propriétés physiques d'astres distants de millions de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système...) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...).

La spectroscopie a marqué la naissance de l'astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...). Depuis, c'est notre outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son...) principal pour étudier le cosmos, car on peut à partir du spectre d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) cosmique déterminer sa vitesse (On distingue :) radiale (s'il s'approche ou s'éloigne de nous), sa composition chimique et son état physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) (température, densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...), pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) électronique, etc.).

Analyser plusieurs astres simultanément

Au cours des trente dernières années sont apparus les spectrographes multi-objets, capables d'étudier simultanément les propriétés individuelles d'objets très distants. Ces spectrographes permettent de sélectionner différents objets dans le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) du télescope et d'envoyer leur lumière dans l'analyseur pour produire des spectres séparés.

Ils sont particulièrement importants pour les études qui nécessitent de très nombreuses mesures, par exemple l'étude de notre galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de...), celle des amas de galaxies (Un amas de galaxies est l'association de plus d'une centaine de galaxies liées entre elles par la...) ou des oscillations de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) baryonique. Ces dernières sont des fluctuations de densité de matière (protons et neutrons) qui étaient déjà présentes dans l'univers primordial, juste après le Big Bang. Les galaxies notamment se sont formées à partir de ces inhomogénéités et la mesure est complémentaire de l'étude des anisotropies du fond diffus cosmologique (Le fond diffus cosmologique est le nom donné au rayonnement électromagnétique issu...), dont l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) occasionna notamment le Prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les...) 2006.

Répondre aux besoins scientifiques des astronomes

Il y a une douzaine d'années, la communauté astronomique européenne a identifié comme besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...) prioritaire un instrument à grand champ de vue (un à trois degrés de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...), soit plusieurs fois la taille de la pleine lune) capable d'acquérir simultanément les spectres de plusieurs milliers d'objets sur un télescope de l'ordre de 4 mètres de diamètre. En effet, un tel instrument permet d'aborder plusieurs domaines de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) en astrophysique, notamment la structure et l'évolution de la Voie lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois...), la structure et l'évolution des amas de galaxies, la structure à grande échelle de l'univers et la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système...).

WEAVE, pour "WHT Enhanced Area Velocity Explorer", est né. Il est le produit d'une collaboration internationale à laquelle participent les pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue...) propriétaires du télescope (Royaume-Uni, Pays-Bas, Espagne), mais aussi la France, l'Italie et le Mexique, ainsi que plusieurs organismes et chercheurs.Schéma de WEAVE et son implantation sur le télescope William Herschel. WEAVE consortium

Une des plus grandes lentilles jamais fabriquées

D'un point (Graphie) de vue technologique, WEAVE a été un défi à la limite des technologies actuelles. Notamment, il nécessite un système optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) composé de six lentilles. La plus grande de ces six lentilles a un diamètre de 1,1 mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du...) - c'est une des plus grandes lentilles jamais fabriquées.

La danse des robots-positionneurs.

Nous avons aussi conçu et développé deux "robots positionneurs" qui déplacent jusqu'à 960 fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...) optiques vers les positions nécessaires sur le plan focal du télescope pour analyser les astres. Les robots tissent ainsi ("to weave", en anglais) un véritable entrelacs de fibres, qu'il est prévu de faire et défaire des milliers de fois, dans une danse qui ne manque pas de charme (Les charmes constituent un genre d'arbres et d'arbustes de la famille des Bétulacées...).


Un champ WEAVE entièrement configuré, avec 700 des 950 fibres environ placées par deux robots (hors du cadre), sur place dans le télescope William Herschel. © WEAVE consortium, Fourni par l'auteur.

Les fibres optiques acheminent ensuite la lumière sur 32 mètres, le long de la structure du télescope, jusqu'au spectrographe. WEAVE dispose de plusieurs types de connexions par fibres optiques, qui lui permettent d'imager différemment pour étudier différents types d'objets. Par exemple, on peut utiliser 960 fibres individuelles destinées chacune à recueillir la lumière d'un objet ponctuel (En géométrie, un point est le plus petit élément constitutif de l'espace de travail.). Autre option: un assemblage de plus de cinq cents fibres couvrant un large champ de vision pour l'observation d'objets étendus de grande taille. Enfin, avec 20 assemblages de 37 fibres, on peut étudier plusieurs objets étendus, comme des galaxies, et en étudier les propriétés, tel que leur courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...) de rotation, leur composition chimique et les différences de composition chimique, et ce dans les différentes parties de la galaxie.

Une collaboration internationale aux compétences multiples

Nous avons eu recours à un large réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) de compétences pour la fabrication des pièces et leur assemblage. Par exemple, le collimateur (Un collimateur est un dispositif optique permettant d'obtenir un faisceau de rayons de lumière...) et les quatorze lentilles sphériques des caméras ont été polis au Mexique après que les disques de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...) aient été fabriques en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un...), Japon et aux États-Unis. Ces composants conçus et réalisés spécifiquement pour WEAVE ont ensuite été envoyés aux Pays-Bas où a eu lieu l'intégration des éléments optiques et mécaniques du spectrographe. L'assemblage des liens par fibres optiques s'est appuyé sur les contributions de trois industriels différents en France, au Canada et aux États-Unis. Les liens fibrés ont enfin été testés à l'Observatoire de Paris (L'Observatoire de Paris est né du projet, en 1667, de créer un observatoire astronomique...), avant d'être envoyés à Oxford pour être intégrés au positionneur.


La galaxie spirale Messier 74 observé avec une caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil...) de test pour vérifier la qualité optique du correcteur de champ. Une fois en opération, WEAVE ne prendra pas d'images, mais seulement des spectres.
© Darío González Picos, Lara Monteagudo, Chris Benn and Ovidiu Vaduvescu (Isaac Newton Group of Telescopes, Roque de Los Muchachos Observatory, La Palma, Espagne)

Après un travail de plus de dix ans qui a impliqué une centaine de personnes dans une dizaine de pays, les composantes de WEAVE sont maintenant arrivées sur le site du télescope William Herschel. Le système optique a été testé sur le télescope et a démontré une excellente qualité d'image. Encore en cours d'intégration, WEAVE devrait faire ses premières observations - des spectres et non des images - en décembre 2021.

En France, la construction de WEAVE a été financée par le CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...), l'Observatoire de Paris-PSL, les régions Île-de-France et Franche-Comté; ont également participé le Royaume-Uni (STFC), les Pays-Bas (NOVA et NWO), l'Espagne (IAC, Groupe international de télescopes Isaac Newton (Isaac Newton (4 janvier 1643 G – 31 mars 1727 G, ou 25 décembre...), ministère des Affaires économiques et de la Transformation numérique), l'Italie (INAF), le Mexique (INAOE), la Suède (Observatoire de Lund, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) d'Uppsala), l'Allemagne (AIP, MPIA), les États-Unis (Université de Pennsylvanie) et la Hongrie (Observatoire Konkoly).

La Région Île-de-France finance des projets de recherche relevant de Domaines d'intérêt majeur et s'engage à travers le dispositif Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...) Région Phd pour le développement du doctorat (Le doctorat (du latin doctorem, de doctum, supin de docere, enseigner) est généralement...) et de la formation par la recherche en cofinançant 100 contrats doctoraux d'ici 2022. Pour en savoir plus, visitez iledefrance.fr/education-recherche.
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