L'instrument METIS de l'ELT (Extremely Large Telescope) franchit l'étape de la conception préliminaire

Publié par Redbran le 08/06/2020 à 13:00
Source: CEA IRFU
Le 18 Mai dernier, l'ESO a formellement clos la revue de design préliminaire de l'instrument infrarouge thermique ELT METIS. Suite à cet important jalon, l'instrument passe en phase de conception finale qui devrait se terminer avec la revue de conception finale (FDR) en 2022 avant d'entamer la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) finale de construction.


Vues d'artiste montrant le futur télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique permettant d'augmenter la luminosité ainsi que la taille...) géant ELT de 39m de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour indiquer qu'une valeur...) à Cerro Armazones (Chili). A titre de comparaison, la taille des plus gros télescopes existants (VLT, 8m) est montrée en silhouette.

Un telescope avec des performances inégalées

Au même titre que les instruments HARMONI et MICADO, l'instrument METIS est un instrument ELT de première génération à vocation généraliste qui observera dans les bandes L-M-N de l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes physiques,...) (3.5-13 μm). Cet instrument utilisera pleinement la formidable résolution angulaire d'un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche...) de 39m de diamètre dont les images seront corrigées de la turbulence (La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse présente en tout point un caractère tourbillonnaire : tourbillons dont la taille, la localisation et l'orientation varient constamment....) atmosphérique par de systèmes d'optique adaptative (L'optique adaptative est une technique qui permet de corriger en temps réel les déformations évolutives et non-prédictives d'un front d'onde grâce à un miroir déformable.) extrême. Il observera la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) tiède (300-3000K) dans divers environnements depuis le milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre les étoiles et leur environnement proche. Ce gaz est habituellement extrêmement ténu, avec des densités...) et les zones centrales de galaxies actives, des disques proto-planétaires de notre galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs...) dans lesquels des planètes géantes sont entrain de se former, jusqu'aux petits corps éloignés de notre système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis...).

METIS sera doté d'une résolution angulaire 5 fois supérieure à celle d'instruments identiques sur un télescope de 8m et 6 fois supérieure à celle du télescope spatial (Un télescope spatial est un télescope placé au delà de l'atmosphère. Le télescope spatial présente l'avantage par rapport à...) JWST observant aux mêmes longueurs d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.). En outre, cet instrument bénéficiera aussi d'une sensibilité 25 fois supérieure à celle des instruments actuels, combinée avec des performances uniques en termes de haut contraste par l'utilisation de coronographes à masque de phase de nouvelle génération. Ces performances lui permettront d'être un instrument de choix pour la caractérisation des exo-planètes déjà découvertes.


Mosaïque de détecteurs Haxaii2RG (gauche) et détecteur GEOSNAP (droite)

Caractérisation des détecteurs des voies scientifiques L-M-N

En bande L,M, l'instrument METIS s'appuiera sur des détecteur Hawaii-2RG de télédyne, assemblés en mosaïque de 2*2 détecteurs pour le spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de...) et d'un détecteur simple pour l'imageur. Les Hawaï 2RG sont des détecteurs de 2000*2000 pixels, chaque pixel (Le pixel, souvent abrégé px, est une unité de surface permettant de mesurer une image numérique. Son nom provient de la locution anglaise picture element, qui signifie...) ayant 18µm de côté, utilisant la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) HgCdTe. Le détecteur GEOSNAP (télédyne), de technologie semblable sera quant à lui utilisé pour l'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par impression mécanique ; elle...) en bande N.

Le CEA prendra part au programme de caractérisation scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) des détecteurs afin d'en étudier le comportement et les performances selon leurs paramètres de fonctionnement (températures, tensions de polarisations etc). L'optimisation de ces paramètres sera alors mise en oeuvre dans l'instrument METIS pour en garantir les meilleures performances scientifiques.


Vue CAO du mécanisme du dérotateur de champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:)

Design et fabrication des cryomécanismes généralistes (ICAR)

Basé sur l'expérience acquise par l'Irfu sur les mécanismes cryogéniques (VISIR, MIRI, EUCLID), le mécanisme ICAR sera déployé en 12 exemplaires dans METIS, pour actionner les roues (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par son centre.) de l'imageur, du spectromètre ou du système d'imagerie de l'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) adaptative.

Le mécanisme ICAR a été profondément revu par rapport à celui d'EUCLID pour en réduire drastiquement les coûts de fabrication. Cet objectif est atteint puisque son coût récurrent devrait se situer à 40k€ (gain d'un facteur 2,5 par rapport au mécanisme EUCLID). Un prototype a été construit en 2019 et il fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini...) d'une campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés habités, elle s'oppose aux concepts de ville,...) de tests cryogéniques.


Prototype du mécanisme ICAR
Design et fabrication du cryomécanisme du dé-rotateur de champ

Afin de limiter au maximum le bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) instrumental, et tenter d'atteindre la limite de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les points de l'objet. La...) de l'ELT, l'instrument METIS a choisi de positionner son dérotateur* de champ à l'intérieur du cryostat. Le CEA a donc en charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) la conception, la fabrication et les tests du mécanisme du dérotateur, caractérisé par des rotations continues à des vitesses très lentes (0,005°/s à 0,15°/s), avec une précision de positionnement (On peut définir le positionnement comme un choix stratégique qui cherche à donner à une offre (produit, marque ou enseigne) une position crédible, différente et attractive au sein d’un marché et dans...) de 7 arcsec et fonctionnant à 60K. Ceci constitue une première technologique, puisqu'à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil...), aucun instrument n'utilise de dérotateur cryogénique.

* Le dérotateur permet de garder le champ de vue fixe au niveau de l'instrument grâce à un dispositif à miroirs, champ qui autrement tournerait lors de la rotation de la Terre

Tests de validation de performances des coronographes de type AGPM en bande N

Fabriqués par l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) d'Uppsala sous couvert le l'ULG (Université de Liège), partenaire du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de...) METIS, ces masques sont essentiels et d'une haute importance stratégique pour l'exploitation scientifique de l'instrument METIS et en particulier pour l'étude des exo-planètes. Afin de pouvoir tester ces composants, le CEA a procédé à une mise à niveau de la station de tests développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la...) initialement dans le contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de...) de l'instrument JWST MIRI. Cette station est à présent équipée d'un détecteur haute capacité et de sources laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light...) permettant d'obtenir des images de source ponctuelle avec un rapport signal/bruit de 1000 en 1s conformément aux pré-requis. La première image d'une source ponctuelle éteinte par le coronographe a été obtenue lors de tests préliminaires en mars 2020.

Contacts Irfu: Eric Pantin (DAp), Jean-Christophe Barrière (DIS)


Images de première lumière du banc de test des coronographes de type AGPM bande N pour METIS. La première image est obtenue hors du masque. Les images centrales et à droite sont obtenues en s'approchant du centre du masque, provoquant une atténuation (Perte d'intensité et amplitude d'un signal...) de la source principale d'un facteur ~70. Une source secondaire à gauche de la source principale est produite par double réflexion dans un éléments optique et peut servir à simuler une source faible proche d'une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.).

Le projet METIS a bénéficié, pour ces lots, du soutien financier et technique du CEA-IRFU, du DIM-ACAV, et de l'INSU (CSAA).

Le consortium METIS est composé de:
- NOVA (En astronomie, une nova est une étoile qui devient très brutalement extrêmement brillante, avec une grande augmentation de son éclat, qui peut être de l'ordre de 10 magnitudes. Cette vive...) (Ecole néerlandaise de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) en astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne doit pas être confondue...) représentée par l'Université de Leiden, Pays-Bas),
- l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical...) Max Planck (Max Planck (né Max Karl Ernst Ludwig Planck le 23 avril 1858 à Kiel, Allemagne - 4 octobre 1947 à Göttingen, Allemagne) est un physicien allemand. Il est lauréat du prix...) d'astronomie (MPIA, basé à Heidelberg (Heidelberg est une ville d'Allemagne située dans la vallée du Neckar, au nord-ouest du Land de Bade-Wurtemberg. Le nom de "Heidelberg" provient peut-être de Heidelbeere qui veut dire...), Allemagne),
- l'Université de Cologne (Allemagne),
- Centre technologique d'astronomie du Royaume-Uni (UKATC, à Edimbourg, Ecosse, Royaume-Uni),
- KULeuven (Belgique),
- centre de recherche du CEA Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne et de...) Saclay (Commissariat à l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) atomique et aux énergies alternatives (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié en 1945.), France),
- Centre d'astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés...) et de gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) (CENTRA), Université de Lisbonne, Portugal),
- l'ETH Zürich (Suisse),
- A* (un partenariat autrichien représenté par l'Université de Vienne,
- l'Université d'Innsbruck,
- l'Université de Graz,
- l'Université de Linz et le RICAM Linz, Académie (Une académie est une assemblée de gens de lettres, de savants et/ou d'artistes reconnus par leurs pairs, qui a pour mission de veiller aux usages dans leurs disciplines respectives et de publier des ouvrages tels...) autrichienne des sciences, Autriche),
- l'Université du Michigan à Ann Arbor (États-Unis),
- l'Institut d'astronomie et d'astrophysique Academia Sinica à Taipei (Taiwan)
- et l'Université de Liège (Belgique),
- avec des contributions de l'ESO.
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