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ELT:lestrèsgrandstélescopesdufutur

Laprochainedécennieverral'avènementdetélescopesgéantsdenouvellegénérationde20à40mètresdediamètreappelésELT.IlyaàcejourdeuxprojetsauxÉtats-Unis:leTMT(30m)etleGMT(20m),etunprojetenEurope:l'E-ELT(40m).

Page1/7-ELT:lestrèsgrandstélescopesdufutur

Au fil des décennies, les procédés d’optique ont été améliorés et les instruments d’observation sont devenus des bijoux detechnologie.Toujoursplusgrands,pourvoirtoujoursplusloin,lestélescopespermettentaujourd’huiunbalayageimpressionnantduciel.C’estlecasdesELT,lesExtremelyLargeTelescopes,dontplusieurssontenprojetauxÉtats-UnisetenEurope.

Lediamètredestélescopes,depuislapremièrelunetteastronomiquedeGaliléeetletélescopedeNewtonjusqu'auxtélescopesgéantsd'aujourd'huiaaugmentéd'unfacteur100,cequicorrespondàuneaugmentationdelapuissancecollectriced'unfacteur10.000!

Gauche:lunettedeGalilée.Droite:répliquedutélescopedeNewton.©AndrewDunn

Lafigureci-dessousillustrecetteprogressiondudiamètredestélescopesenprèsde4siècles,traduisantuneaugmentationd'unfacteur~2tousles 50 ans. Est-ce que cette loi continuera à s'appliquer à l'ère postindustrielle, de la technologie et de la mondialisation des grands projetsscientifiques,ouya-t-ilaucontraireunelimitepratiqueouphysiqueaugigantismeetauxréalisationshumaines?

07/10/2006-ParJean-GabrielCuby,Astronome

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Diamètredesprincipauxinstrumentsastronomiquesaucoursdesdernierssiècles.Lediamètreadoubléenvirontousles50ans.Onentredésormaisdansl'èredestrèsgrandstélescopes(ExtremelyLargeTelescope,ELT).©R.Gilmozzi,ESO

Cedossier,enpartantdestechnologiesenusagesurlesgrandstélescopesactuels,faitlepointsurlesprojetsdetrèsgrandstélescopes(ELT)enpréparationpourlaprochainedécennie.

Page2/7-ELT,lestechniquesd'optiquedesExtremelyLargeTelescopes

La décennie passée a vu l'émergence de télescopes optiques géants de nouvelle génération, avec aujourd'hui 13 télescopes dediamètresupérieurà8mètresenopérationousurlepointdel'être.

Cestélescopes,aucontrairede lagénérationprécédentedetélescopesdemoinsde6mètresdediamètreutilisantdesmiroirsmonolithiquesnondéformables,trèsépaisetdonctrèslourds,utilisentaucontrairelapossibilitédecontrôlerenpermanencelesdéformationsdemiroirstrèsmincesetdoncdéformables(sousl'actiondelagravité,duvent,deseffetsthermiques,etc.).

Deuxtechniquesd'optiquedite«active»sontutilisées.

Figure1.MiroirprimairesegmentédutélescopeKeck,consistanten36segmentshexagonauxde1,8mdelargeur,pourundiamètretotalde10m.©KeckObservatory

Optiquepourlestélescopes:lasegmentation

Lemiroir primaire du télescope est constitué d'un ensemble de segments jointifs (en général de formehexagonale) de plus petit diamètre et defaibleépaisseur.Parexemple,lemiroirprimairedutélescopeaméricainKecksituéàHawaïd'undiamètrede10mètresestconstituéde36segmentsde1,8mètredediamètre(voirFigure1).Chaquesegmentestcontrôléetmaintenuenpositionparunensembledepistons/actuateursdel'autrecôtédesasurfaceafinquelasurfacetotalepréservesaformeidéale,paraboliqueouhyperbolique.

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Figure2.Vued'undestélescopesde8mètresdediamètreduVLT(ESO,Chili).Ondistinguelemiroirprimairemonolithiquedanssacellulequiabriteles150actuateurscontrolantlasurfacedumiroir.Lafigure3montrelasurfacearrièredumiroir.©ESO

L'optiqueactivepourlestélescopes

Lemiroirprimaireestmonolithique,defaibleépaisseuretparconséquentsouple(auxgrandeséchelles,lasurfaceétantquantàelleparfaitementpolieavecunerugositédel'ordredequelquesdizainesdenm).Unsystèmed'actuateurspermetalorsdecompenserlesdéformationsetdereformerlasurfaceoptique idéale.Ainsienest-ildes4télescopesde8mètresdediamètreduVLT,télescopede l'ESO( EuropeanSouthernObservatory)installéauChili(voirFigure2etFigure3).

Figure3.Vuedelasurfacearrièred'undesmiroirsde8mètresdediamètreduVLT(ESO,Chili)avecles150pointsd'accrochagepourlesactuateursquicontrôlerontlasurfacedumiroirencoursd'observation.L'épaisseurdumiroirestde17cm.©ESO

Lalimitetechnologiqued'environ8mètresdediamètrepourungrandmiroirmonolithiqueprévautencoreaujourd'hui.Ainsi,laseulepossibilitépourréaliserd'encoreplusgrandstélescopes,au-delàdes10mètres,estlasegmentation.

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Figure4.Principeducontrôleactifd'untélescopeactifousegmenté.Lespistons(actuateurs)souslemiroirserventàcorrigerlesdéformationsdumiroirprimairepourluidonnerlasurfaceoptiqueidéale.Danslecasd'unmiroirmonolithiqueactiflespistonscompensentlesdéformationsdecelui-ci,danslecasd'unmiroirsegmentéilsserventàmaintenirenpositionlessegmentslesunsparrapportauxautresafin

d'épouser,danslesdeuxcas,lasurfaceidéale(généralementuneparaboleouunehyperbole).©ESO

Page3/7-ELT:destélescopesplusgrandspourcomprendrel'univers

Les ELT, ces télescopes de nouvelle génération, ont permis de réaliser des progrès spectaculaires dans notre compréhension del'univers,avecladécouvertedenombreusesexoplanètes.

GraceauxELT,onadécouvertplusde200 planètesendehorsdenotreSystèmesolaireontétédécouvertes(septembre2006),dontcertainesontpuêtreimagéesdirectementetnondétectées,commelesautres,pardesméthodesindirectes;l'accélérationdel'expansiondel'universaétévérifiéeparl'observation;lesvestigesdesondessonorescosmiquesémisespeuaprèsleBigBangsontobservésdansladistributiondesgalaxiesjusqu'ànosjours;nousperçonslesconfinsdel'Univers,àl'âgeoùlespremièresétoilesetlespremièresgalaxiessesontformées...

Toutefois, beaucoup reste – et restera toujours – à découvrir. Environ 95 % de l'univers nous est encore inconnu, constitué à 25 % d'unemystérieusematièrenoireinvisibleànostélescopesetd'uneencoreplusmystérieuseénergienoireresponsabledel'accélérationdel'expansiondel'univers(voirfigureci-dessous).

Camembertillustrantlesproportionsdematière«normale»(cellequel'onconnaît,NormalMatter),dematièrenoire(DarkMatter)etd'énergienoire(DarkEnergy)dansl'univers.©Nasa/CXC/M.Weiss

LesELTpourmieuxcomprendrel'univers

Commentnaissentplanètes,étoiles,etgalaxies?Ya-t-ildessignesdevieextraterrestre,outoutaumoinsdeconditionspropicesàl'émergenceetaudéveloppementdelaviedanslesplanètesau-delàdenotreSystèmesolaire?

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Le«bordrouge»,ourededge,caractéristiquedelavégétationsurTerre.Lesfeuillesvégétalesréfléchissentfortementlerayonnementinfrarouge,seprotégeantainsid'unchauffageexcessifquidétruiraitlachlorophylle.Cebordrougesesitueentre0,7et0,8μm.Sil'œilétaitsensibleàceslongueursd'onde,lavégétationnousapparaîtraitcommetrèsrougeettrèsbrillante.Lepicderéflectivitélégèrementau-dessus

de0,5μmestquantàluiresponsabledelacouleurverte(pournotreœil)delavégétation.CebordrougeestunesignaturebiologiquecaractéristiqueettrèsvisiblesignalantlaprésencedevégétationsurTerre.DetellessignaturespourraientêtrerecherchéesaveclesELTsur

lesplanètesextrasolaires.©Seager&Ford,2002

Etilyabiend'autresquestionsencoresansréponsesquitouchentautantàlaphysiquefondamentalequ'auquestionnementdel'espècehumainesursesoriginesetcellesdel'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 astronomesvoudronttoujoursdenouveauxmoyensd'observation,toujoursplusgrands,pluspuissants,plusrapides.Riend'étonnantdoncàcequelanouvellegénérationdetélescopesàpeineterminéeetenpleinephasedeproductivitéscientifique lesastronomessesoientremisà leurtableaunoir–ouplutôtàleursordinateurs–pourimaginerlestélescopesdedemain.

Page4/7-Astronomieettechnologie,unlienétroit

L'astronomieestunesciencequireposesurleprogrèstechnologique.L'inverseestvrai:certainestechniquesd'astronomesontétéappliquéespourlamédecineparexemple.

Depuis la révolution copernicienne qui ne s'appuyait que sur desmesures effectuées à l'œil nu (aidé quandmême de quelques instruments demesure),lesautresgrandesdécouvertesastronomiquesnefurentpossiblesquegrâceauxtélescopeséquipésdesinstrumentslesplussophistiquésdeleurépoque.Ainsideladécouvertedel'hélium,del'expansiondel'univers,del'existencedematièrenoire,del'énergienoire,etc.

Latechnologiespatialeinspirelamédecine

L'astronomiesenourritdoncduprogrès technologique,commeellenourriten retour la technologie.Souventdes techniquessont initiéespar lesastronomes,dansledomainedesdétecteurs,del'optique,destechniquesspatiales,etc.commel'optiqueadaptativedéveloppéepourlacorrectiondesimagesastronomiquesdégradéesparl'atmosphèreetaujourd'huiutiliséeenmédecinepourl'imagerierétinienne.

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Exempledevalorisationd'unetechniqueinitiéeparlesastronomes:imagedelarétineréaliséeparoptiqueadaptative.Cettetechniquedéveloppéeparlesastronomesestmaintenantrentréeàl'hôpitalafindeprendredesimagesrétiniennesàhauterésolution,imagesautrement

impossiblesàréaliser,permettantainsilapréventionouletraitementdemaladiesdel'œil.L'imagedegaucheestlapartiecentraledelarétine,oùl'ondistinguenettementlescônes(lesgranules)dontlatailleestde2à4µmdediamètre.Lescônessontlescellulesréceptricesde

l'œil,telslespixelsd'unecaméraCCD.©Lesia,ObservatoiredeParis

Desdéveloppementtechnologiquespermanents

L'astronomieestdoncune science trèsprésente sur le frontdesdéveloppements technologiquesetqui induitun fort retourde l'investissementpublicauprèsdesindustrielsquiparticipentàlaréalisationdesgrandsinstrumentsdeladiscipline.Cesontainsiplusieursmilliardsd'eurosquisontainsiinjectéschaqueannéedanslesecteurindustrielparl'astronomiemondiale.Étantdonnélelongtempsdedéveloppementsdesgrandsprojets(typiquement 20 ans ou plus entre la conception initiale et la réalisation), il y a souvent un décalage entre ce que permet un instrument enopérationetl'étatdel'artdelatechnologiequiluicorrespond.

C'estpourquoiilyatoujoursdesprojetsengestationalorsquelesprojetsencoursnesontmêmepasterminés!TelestbienlecasdesELTdontlespremiersconceptsontétéavancésalorsqu'aucundestélescopesde8ou10mètresdediamètren'étaitencoreopérationnel!

Page5/7-LagenèsedesprojetsELTetleprojetOWL

Destélescopesde25mètresetplusontétéproposésdèsledébutdesannées1990enEurope,enparticulierparlesastronomesdespaysnordiques.La France a un temps envisagé la construction d'un télescope de 15-20mètres de diamètre pour remplacer sontélescopeCFHT(partagéaveclesCanadiensetl'Étatd'HawaïauxÉtats-Unis),alorsquelesCaliforniensentamaientuneétuded'untélescopede30mètresdediamètre.

Figure5.Projetdetélescopede100mètresdediamètredel'ESO.©ESO

LeprojetOWL:OverwhelminglyLargeTelescope

Verslesannées1997-1998,c'estl'ESOquipritunascendantspectaculairedanslacourseauxgrandsdiamètresenproposantuntélescopede100mètres (voir Figure 5) ! Ce projet, baptiséOWL (commeOverwhelmingly Large Telescope, et qui signifie également chouette en anglais, pourillustrerlavueperçantedecetélescope),estmaintenantabandonnéenl'état,l'Europeseconcentrant,vial'ESO,suruneétuded'untélescopedel'ordrede40mètresdediamètre.Toutefois,cetélescopeOWLresteradansl'histoirecommelepremierprojetplausibledetélescopepermettantdefaire l'imaged'uneplanètede type terrestreendehorsduSystèmesolaire.Eneffet,undesobjectifsdémontrésdeceprojetétait la recherched'exoterresautourdes500étoilesdetypesolairedistantesdemoinsde100années-lumièredenotreTerre(voirFigure6).

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Figure6.Simulationd'unsystèmeplanétairecomprenantdeuxplanètessimilairesàJupiteretàlaTerreentailleetendistanceàl'étoile,telqu'ilpourraitêtreobservéà30années-lumièreparuntélescopede100mètresdediamètre.Lecontraste(rapportd'intensité)entrel'étoileetlaTerreestdel'ordred'unmilliard!Lefluxprovenantdel'étoilecentraleaétésuppriméparcoronographie,ilnerestequ'unbruitrésiduel

associéàl'étoile.©ESO

Ce projet – en dépit de ses très grandes qualités et de ses ambitions – était toutefois très risqué sur le plan technologique, et l'ESO, enconsultationavecsacommunautéetsurl'avisd'expertsinternationaux,luiapréféréunprojetdemoindreenverguremaismoinsrisqué,et…moinscoûteux. Les perspectives d'imagerie d'exoplanètes de type terrestre se sont par la même occasion considérablement éloignées, car même untélescope géant de 30 ou 40mètres n'atteindra les performances requises qu'autour des quelques étoiles les plus proches du soleil, réduisantstatistiquementquasimentànéantleschancesd'ydécouvriruneplanètesimilaireàlanôtre.

Page6/7-GMTetTMT,lesprojetsaméricainsdetrèsgrandstélescopes

À l'heure actuelle deux projets de très grands télescopes (ELT) sont en phase d'étude aux États-Unis : le GMT (Giant MagellanTelescope)etleTMT(ThirtyMeterTelescope).

Figure7.ReprésentationduprojetGMT(GiantMagellanTelescope)de21mètresdediamètre.Septmiroirsde8mètresdediamètresontmontéssurunemêmestructure.©GMT

LeGMT,GiantMagellanTelescope

LeGMTestuntélescopede21mètresdediamètre(équivalent)dontlemiroirprimaireconsisteen7miroirsmonolithiquesde8mètresdediamètre(voirFigure7).

Deuxdesmiroirssontencoursderéalisation–alorsmêmequelebudgetdel'ensembleduprojetn'estpasencoreacquis!Unedesraisonsestquela durée de fabrication d'un seul segment de 8mètres de diamètre requiert entre une et deux années de travail, et qu'il n'existe qu'une seulemachinepourlesréaliser![NDLR:lepremiermiroirduGMTaététerminéennovembre2012]

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Figure8.UneautrereprésentationduGMT.Onnoteral'échelleindiquéeparlatailled'unepersonneàlabasedutélescope.©GMT

Afindoncd'accélérerleprocessus,lafabricationdupremiersegmentaétélancéeen2005,permettant,enprincipe,laréalisationdel'ensembledutélescope,sonassemblageetsestests(quidurentaumoinsuneannéeaprèsl'assemblagefinal)pourunemiseenopérationen2015.

LeTMT,ThirtyMeterTelescope

Figure9.ReprésentationduprojetTMTde30mètresdediamètre.Lemiroirprimaireconsisteenplusde700segmentsde1,2mètredediamètre.©TMT

LeTMTestquantà luiunprojetde télescopede30mètresdediamètre fortement inspirédu télescopeKeck.Lemiroirprimaireconsisteen738segmentsde1,2mètredediamètreet4,5cmd'épaisseur.

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Figure10.UneautrereprésentationduThirtyMeterTelescope.©TMT

Leprojetprévoit2immensesplateformes(ditesNasmyth)dechaquecotédutélescopeouserontinstalléslesinstruments,delatailled'unterraindetennis!Certainsinstrumentspourrontmêmeatteindrelatailled'unautobus!

Figure11.UneautrereprésentationduTMT.Onnoteralacoupoledetypecalotte,similaireàcellequiéquipeletélescopeBernardLyotàl'ObservatoireduPicduMidi!©TMT

Page7/7-LeprojeteuropéenE-ELT

Faisant suite àOWL, le projet européen E-ELT est en phase de définition accélérée à l'ESO, en consultation avec la communautéastronomiqueeuropéenne.Lediamètreactuellementconsidéréetutilisépourlespremiersdesignsestde42mètres.

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Figure12.Schémasoptiquesdutélescopede~40mètresdediamètreencoursd'étudeàl'ESO:l'E-ELT.©ESO

E-ELT:pourquoiundiamètrede42mètres?

Cechiffre–précisenl'étatdedéfinitionduprojet–n'estpastoutàfaitdûauhasard:lecarré(puissance2)de42estàpeuprèségalàdeuxfois le carré de30, autrement dit la surface collectrice d'un télescopede42mètres est deux fois celle d'un télescopede30mètres ! L'Europeseraitdonc,sicediamètreestmaintenupourl'E-ELT,deuxfoispluspuissantequelesÉtats-Unis!

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 télescopeVLTde l'ESOà la finde ladernièredécennie.Parailleurs, etnonmoinsanecdotique,42 se trouveêtre laréponseà lagrandequestionsur lavie, l'universet le restedans le romandescience fictionLe guide du voyageur galactique(The Hitchhiker'sGuidetotheGalaxy)deDouglasAdam,adaptéaucinémadanslefilmH2G2deGarthJenningssortien2005.

Figure13.Vued'ensembledelastructureduprojetdetélescopede~40mètresdediamètreencoursd'étudeàl'ESO.©ESO

L'ESOpoursuitdoncàrythmeaccélérél'étudedecetélescopegéantdufutur,soutenuparlacommunautéastronomiqueeuropéenneetlesÉtatsmembres,afinqueceprojetaboutisseàl'horizon2016,suruncalendriersimilaireàceluidesprojetsaméricains,quelquesannéesàpeineaprèslamise 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 laNasa, et le télescope sub-millimétriqueAlmaen cours de construction sur unhaut plateau andin auChili en partenariatentrel'EuropeetlesÉtats-Unis.

Ainsi, à la fin de la prochaine décennie, les astronomes dumonde entier auront à leur disposition de tout nouveaux et extraordinairesmoyensd'investigationssurpassantenpuissanceetenqualiténosmoyensactuels,nousoffrantainsiunevisionaujourd'huiimpossibleàmêmeimaginerdel'universetdenosorigines.

Miseàjour2012:lesdernièresactualitésdel'E-ELTsurFutura-Sciences

E-ELT:accordsignéentrel'ESOetleChiliLamaquettegéantedumiroirdel'E-ELTÀquoiserviral'E-ELT?Feuvertàlaconstructiondel'E-ELTLecasse-têtedumiroirdel'E-ELT