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E-ELT : les secrets technos du plus gros télescope au monde

E-ELT : les secrets technos du plus gros télescope au monde

Vue d'artiste de l'E-ELT

© source : ESO

La première phase de construction de l’E-ELT a reçu en décembre 2014 le feu vert du conseil de l’Observatoire européen austral (ESO). Le télecsope sera construit dans le désert d’Atacama au Chili, non loin du VLT, et sera lorsqu’il rentrera en fonctionnement en 2026 le plus grand miroir tourné vers le ciel. Un véritable défi industriel, dont Marc Ferrari, directeur adjoint du Laboratoire d'astrophysique de Marseille (LAM), nous livre les secrets.

Dans la course aux grands télescopes, se sont les Européens qui vont gagner ! « L’œil le plus grand au monde tourné vers le ciel »  permettra dès 2026 l’observation directe des exoplanètes et des premières galaxies formées dans l’univers lointain, dans le domaine du visible et de l’infrarouge. Avec un miroir principal de 39 mètres de diamètre, l'E-ELT (European Extremely Large Telescope) fait partie de la nouvelle famille de télescopes destinée à supplanter les plus grands téléscopes actuels d’une dizaine de mètres de diamètre. Plus le miroir est grand, plus il capte en effet de photons et permet donc de voir des objets situés plus loin, mais aussi à la luminosité plus faible. L’E-ELT est ainsi capable de voir avec la même précision qu’un télescope de 8 mètres de diamètre un objet à la luminosité 25 fois plus faible.

Deux autres projets de grand télescope sont menés par les Américains, l’un de 20 mètres et l’autre de 30 mètres. « Le projet initial de l’E-ELT était de 42 mètres de diamètre, pour lui donner une surface deux fois supérieure au télescope de 30 mètres des Américains. Il a été ensuite réduit de 3 mètres pour des raisons de budget (aujourd’hui à 1,08 milliard d’euros NDLR), relate Marc Ferrari, directeur adjoint du Laboratoire d’astrophysique de Marseille (LAM). Situé à une dizaine de minutes de l’agglomération marseillaise, le laboratoire du CNRS participe pleinement à la fabrication du miroir primaire, pour lequel il a inventé une méthode de fabrication rapide et peu coûteuse.

Plus d’un millier de miroirs en 10 ans pour en faire un seul

Pour atteindre le diamètre de 39 mètres, le miroir principal du télescope est en effet constitué de 798 «segments hexagonaux» placés les uns à côté des autres, auxquels il faut en ajouter près de 200 pour pouvoir remplacer les segments en cours de nettoyage lors du fonctionnement. Pour tabler sur une mise en fonctionnement de l'E-ELT en 2026, il faudra  donc produire près de 100 segments par an ! Un véritable défi industriel, au vu de la qualité de surface exigée pour l’astrophysique, et ce d’autant plus que la surface de chaque segment doit prendre une forme différente. Pour pouvoir réfléchir de manière optimale la lumière aux longueurs d’onde voulues, une forme légèrement parabolique (torique) est donnée au miroir, dont les variations d’épaisseur avoisinent 200 microns.

Le défi a été relevé par le LAM, en collaboration avec Thalès-SESO, qui a inventé une nouvelle méthode  de production rapide des miroirs, qui permet en outre d’en abaisser les coûts. « Nous partons de miroirs sphériques de 1,50 m que nous déformons grâce à 24 actionneurs, détaille Marc Ferrari. Ces actionneurs situés en dessous du miroir permettent de le déformer à la forme inverse de sa forme finale. Nous procédons au polissage du miroir ainsi contraint par le dessus, à l’aide d’un outil de polissage du même diamètre que la pièce optique. Puis une fois que le polissage est fini, nous relâchons les actionneurs ». Lors du relâchement des contraintes, le miroir sphérique prend la forme asphérique désirée. Le polissage est ainsi rapidement réalisé car effectué en une opération tout en conservant l’excellente qualité de surface nécessaire à l’imagerie d’exoplanètes. Tandis que précédemment, ces variations étaient réalisées par le déplacement latéral de la polisseuse. 

Polissage d'un miroir parabolique et miroir contraint par les actionneurs. (cliquer sur les images pour les agrandir) :

La vitrocéramique : de l'astronomie aux plaques de cuisson

Les miroirs de 5 centimètres d’épaisseur sont constitués comme la plupart des miroirs de téléscopes de vitrocéramique Zerodur, composé à 78 % de nano-cristaux piégés dans une phase résiduelle vitreuse. « Le miroir doit résister à la dilatation lors des changements de température, explique Marc Ferrari. Pour cela, les verres et les cristaux de céramiques présentent des coefficients de dilatation opposés. Quand la température augmente, le verre se dilate et la céramique se contracte, et inversement. Les deux s’équilibrent ainsi. Cette technologie a eu pour retombée les plaques de cuisson en vitrocéramiques ».

Jusqu’à 30 dépots différents pour donner aux miroirs leurs capacités réfléchissantes

Les miroirs reçoivent ensuite un dépôt de revêtement de surface de quelques microns pour leur donner leurs propriétés réfléchissantes. « Les miroirs peuvent recevoir jusqu’à trente couches différentes, dont certaines sont fonction de la longueur d’onde que l’on veut regarder. Pour l’infrarouge, ils devront par exemple recevoir un dépôt d’or », précise Marc Ferrari. 

8 000 actionneurs en fonctionnement continu sur le téléscope

Dans son ensemble, le télescope est un assemblage savant de 5 miroirs. Les photons reçus par le miroir primaire de 39 mètres sont réfléchis et concentrés vers un miroir secondaire de 4,2 mètres situé au-dessus – entre le ciel et le miroir primaire – et passe encore dans trois miroirs avant d’atteindre les instruments d’analyse eux-mêmes : spectrographes et analyseurs. Parmi ces miroirs, un miroir dit adaptatif d’une taille de 2,5 mètres de diamètre et d’à peine 2 millimètres d’épaisseur sera réalisé de la même façon que les segments du miroir primaire au LAM. Il devra compenser les perturbations naturelles de l'atmosphère qui entraînent des décalages des rayonnements lumineux et brouillent l'image.

Pour cela, le miroir adaptatif reposera sur environ 8 000 actionneurs qui le déformeront de quelques dizaines de micromètres près de 1500 fois par seconde. « Nous analysons la forme de l’image en train de se former et la comparons à la forme d’une étoile parfaite, ou artificielle. Puis nous déformons le miroir pour rétablir l’image qui correspond » explique Marc Ferrari. Pour créer l’étoile artificielle, les astronomes utilisent des nuages de sodium sur lesquels on peut faire se refléter la lumière d'un laser. L'analyse de la lumière récupérée et sa comparaison avec celle du laser initial révèlent la nature des éventuelles perturbations situées sur le trajet. Un autre système d’optique «actif» utilise aussi des actionneurs situés sous le miroir principal lui-même pour compenser les changements de centre de gravité du miroir (selon sa position) et de température de l’environnement.

D’un coût total de 1, 083 milliard d’euros, le projet avait pris du retard en attendant de trouver les sources de financement nécessaires. Si aucun autre retard intervient, l'E-ELT devrait entrer en fonctionnement et recevoir sa «première lumière», selon l’expression consacrée par les astronomes, en 2026.

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