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Dossier spécial - Les télescopes géants de l'ESO


En 2005, l'avenir des télescopes au sein de l'ESO semblait se diriger vers un futur télescope de 100 mètres de diamètres, appelé OWL. En voici la vision que l'organisme européen en avait.

"La première fois que j'ai entendu parler d'un télescope de 100 m, en 1996, je me suis dis "c'est impossible!" L'idée me paraissait folle."

Aujourd'hui pourtant, Philippe Dierickx travaille d'arrache-pied à la conception de Owl (Over Whelmingly large: irrésistiblement grand), le plus ambitieux de tous les projets de télescopes géants. Haut comme le second étage de la tour Eiffel, grand comme un terrain de football, le titan de l'ESO (European Southern Observatory) écrasera ses petits camarades de 8 à 10 m de diamètre à l'aube des années 2020.

Du moins est-ce l'objectif que poursuivent l'ingénieur et une dizaine de personnes au sein de l'organisme européen. "Depuis 2000, l'ESO nous octroie 1,5 million d'euros par an pour étudier la faisabilité de Owl." Les américains, engagés eux aussi dans la course aux ELT (Extremely Large Telescopes), ont limité leur ambitions à un "petit" 30 m, le Thirty Meter Telescope. Le saut technologique vers un 100 m est trop important, expliquent-ils. Réalisme ou excès de prudence?

Toujours est-il que Philippe Dierickx et ses collègues renderont leurs conclusions en septembre 2005, avec l'espoir de démontrer qu'un tel monstre est réalisable. Car Owl est bien le télescope de tous les défis.

Représentation du télescope OWL de 100 mètres de diamètre.

Représentation du télescope OWL de 100 mètres de diamètre.



Défi technologique, tout d'abord. Par exemple, comment construire un miroir de 100 m de diamètre orientable, dont la surface soit parfaitement lisse jusqu'à l'échelle des longueur d'onde optiques, c'est-à-dire à 0,5 micron-mètre près? Vu ses dimensions, il est hors de question de fabriquer un miroir "passif", susceptible de se déformer sous son propre poids ou sous l'effet de la chaleur ou du vent. "Le miroir principal de Owl sera segmenté, répond Guy Monnet, responsible de l'instrumentation dans l'équipe de l'ESO. Chacun des 3000 segments hexagonaux, d'environ 2m de diamètre, sera soutenu par trois actuateurs précis aux 5 millionième de millimètre."

Près de 10000 senseurs corrigerons ainsi en permanence la forme du miroir, qui sera parfaitement sphérique. Le miroir secondaire, perché à plusieurs dizaines de mètres au-dessus du sol, sera lui aussi segmenté, mais plat. "Ce couple sphérique-plan est le plus simple, le plus sûr et le moins coûteux, reprend l'astronome. En revanche, il crée des aberrations abobinables. Nous lui adjoindrons donc un correcteur de quatre miroirs monolithiques." Dont deux seront de la taille d'une unité du VLT, soit 8 m.

Représentation de la disposition des mirroirs du OWL.

Représentation de la disposition des mirroirs du OWL.



Impressionnant, certes, mais guère effrayant pour les concepteurs de Owl: ils naviguent là en terrain connu. Paradoxalement, c'est le plus petit miroir du correcteur, celui-ci devra se déformer en chaque point de sa surface, en temps réel et au rythme de 50 fois par seconde, pour compenser les effets de la turbulence de l'atmosphère. Ce système d'optique adaptative, qui seul permet d'atteindre la limite de résolution théorique des grands télescopes actuels, est évidemment indispensable sur un 100 m. Sans lui, Owl ne verrait pas plus net qu'un instrument de 20 cm! Mais il nécessite l'action sur le miroir de milliers d'actuateurs (vérins commandés par ordinateur), espacés de quelques millimètres seulement. Et sur ce point, les choses sont claires: aujourd'hui, tant du point de vue de la puissance de calcul que de la fabrication, c'est irréalisable.

Pourtant, les astronomes européens ne sont pas découragés. Ils comptent sur les prochaines avancées technologiques. D'autant que, dans le domaine mécanique, les ingénieurs ont fait des prouesses. La structure de Owl, immense Meccano de 15000 éléments, est d'une insolente légèrementé: à peine 15000 tonnes. "Elle n'est que 10 fois plus lourde que l'air qu'elle contient" précise Guy Monnet. Mine de rien, c'est un joli progrès puiqu'une seule unité de VLT, construite à l'échelle de Owl, pèserait 680000 tonnes..." Nous avons même une option avec des miroirs et une structure en carbure de silicium qui réduit le poids de 40%, ajoute-t-il. Hélas, ce matériau est cher et il se polit avec ... du diamant! Il nous en faudrait une tonne pour polir nos miroir."

A priori, l'hypothèse d'un Owl ultraléger restera donc dans les cartons. Au moins sommes-nous certains qu'il ne s'envolera pas. Mais le vent reste un problème clé pour le télescope géant. S'il ne risque pas de le transformer en cerf-volant, il pourrait cependant le faire vibrer de manière trop importante. "Or nous ne savons pas calculer ses effets sur une grosse structure avec une précision de l'ordre du micromètre, absolument nécessaire pour faire de l'optique, explique Guy Monnet. Nous n'avons pas de bon modèles, ni mathématique, ni en soufflerie." D'où l'intéret des tests grandeur nature. Car après tout, des miroirs de près de 100 m de diamètre, il en existe déjà: ce sont les radiotélescopes. Une campagne de mesures a ainsi débuté cette année sur le radiotélescope de 70 m de l'observatoire Jodrell Bank (Grande Bretagne). Peut-être, à son issue, devra-t-on envisager de placer des volets coupe-vent tout autour de Owl...

Ne serait-il pas plus simple de lui construire une coupole? "Une coupole orientable à ces dimensions coûterait beaucoup trop cher", répond Guy Monnet. Le cyclope observera donc en plein air. En revanche, il aura sa caverne: "Dans la journée, il sera protégé par un abri, type garage de Zeppelin. Comme il y en a un qui s'est construit récemment près de Berlin, nous savons combien ça coûte: 70 millions d'euros." Une paille, comparé au milliard qu'il faudra investir pour que Owl voie le jour.

Vue d'artiste du futur télescope de 100 mètres de diamètre de l'ESO en situation d'observation.

Vue d'artiste du futur télescope de 100 mètres de diamètre de l'ESO en situation d'observation.



La gestion de cette somme considérable constitue un autre défi. "Certains doutent que l'on puisse mener à bien un tel projet", commente Philippe Dierichx. Il est vrai que Owl est fondé sur un concepte nouveau en astronomie: la fabrication en série des composants du miroir et de la structure. "Cette rupture technologique va faire exploser le diamètre des télescopes optiques", assure Guy Monnet. Depuis 1980, il y a déjà eu deux ruptures dans le domaine: l'optique adaptative, où les miroirs ne sont plus rigides mais flexibles (elle ne peut guère fonctionner que sur des télescopes monolithiques de 8 à 10 m maximum, comme le VLT), et les miroirs segmentés, utilisés pour la première fois sur le Keck et qui permettent d'atteindre les 30 m. "Owl utilise ces deux techniques et introduit la fabrication en série qui permet de viser les 120 m, une limite dictée par la résistance mécanique de l'acier", poursuit Guy Monnet.

Et quid de la "résistance mécanique" des industriels? Apparemment, elle n'existe pas. "Leur réponses à nos demandes d'études ont été très positives", assure Philippe Dierichx. "Nous posons des questions auxquelles ils ne pensent pas forcément, ajoute Guy Monnet. Et parfois, ça peut rapporter gros!" L'une des sociétés ayant réalisé une étude pour les miroirs de Owl l'aurait déja reconvertie dans la fabrication d'écrans plats de téléviseurs. Un marché autrement juteux...

Simulation des capacités d'observation du OWL.

Simulation des capacités d'observation du OWL.



Le petit écran des astronomes, lui, devrait s'allumer en 2016. A cette date, le cœur du télescope sera terminé et les observations pourrons débuter sur l'équivalent d'un télescope de 60 m. "La construction continuera, mais il y aura peu d'interférences avec le travail des scientifiques car la pose de nouveaux segments se fera le jour", souligne Philippe Dierichx. De toute façon, les chercheurs devrons apprendre à travailler avec un instrument dont la maintenance sera quotidienne. En phase de croisière, à partir de 2021, il faudra changer chaque jour cinq segments (sur les 3000) pour traiter les surfaces réfléchissantes. "Cet entretien automatisé prendra 10 heures par jour", précise l'ingénieur. Mais la vrai révolution est ailleur et les astronomes, déjà, s'interrogent: Owl devra-t-il fonctionner comme un observatoire classique (où le temps total de télescope est partagé entre de nombreux programmes d'observation qui obtiennent chacun peu de nuits) ou à la manière des grands équipements de la physique nucléaire, trustés par une poignée de "grands programmes"?

Tout dépend des défis scientifiques qu'un tel monstre doit relever. Car Owl pourra étudier des objets de magnitude 37, soit l'éclat d'une ampoule de 60 W à la distance d'Uranus, avec une finesse de 0,001" d'arc, suffisante pour distinguer un homme sur la Lune. "L'un des grands objectifs de Owl est de photographier et d'analyser la lumière d'une Terre extra-solaire", assure Guy Monnet. Les environs immédiats de près de 1000 étoiles de type solaire seront accessibles au cyclope de l'ESO. Les simulations montrent qu'il sera capable de découvrir, en à peine une heure, une Terre dans un système planétaire éloigné de 30 années-lumière! Il pourra y détecter l'éventuelle présence d'ozone, d'eau, d'oxygène, de monoxyde et de dioxyde de carbone, de méthane... Il découvrira des système solaires complets d'un seul coup d'oeil, il mesurera les orbites des planètes, repérera des anneaux. En outre, il sera le seul à pouvoir faire des images détaillées de disques protoplanétaire dans la plus proche région de formation d'étoiles.

Grâce à Owl, les spécialistes de la physique stellaire espèrent aussi observer individuellement des astres dans de nombreuses galaxies, dont des galaxies elliptiques, si mal connues. Et certains ont déjà calculé le temps qu'il lui faudrait pour mener à bien une campagne d'observation d'explosions d'étoiles primordailes: quatre mois. "Mais Owl devra aussi répondre aux grandes questions astrophysiques des années 2020, reprend Guy Monnet. Quelles seront-elles? On peut penser, par exemple, qu'il sera possible de tester la théorie des cordes... Et de toute façon, comme chaque nouvel instrument, il nous apportera son lot de surprises!"

En décembre 2005, la décision fut prise d'abandonner ce projet, estimé trop ambicieux et difficilement réalisable sans éviter des dérives budgétaires importantes. L'ESO c'es donc tourné vers un projet moins ambicieux d'un télescope de 42 mètres de diamètre.

E-ELT

La communauté astronomique européenne est parvenue à un consensus sur les spécifications techniques de ce qui constituera le plus grand télescope optique à infrarouge au monde.

Cofinancé par l'UE, le projet européen de télescope "extrêmement grand" (E-ELT, European Extremely Large Telescope) devrait disposer d'un budget d'environ 1 milliard d'euros pour l'Observatoire européen austral (ESO) afin de construire ce télescope révolutionnaire, doté d'un miroir de 42 mètres de diamètre.

Représentation du futur télescope de 42 mètres de diamètre de l'ESO

Représentation du futur télescope de 42 mètres de diamètre de l'ESO.



Le consensus atteint par les astronomes lors de leur réunion a été soumis au conseil de l'ESO, qui devrait accorder son feu vert au cours des prochaines semaines.

S'il est approuvé, l'E-ELT pourrait commencer à observer à partir de 2018 les premiers milliards d'années de l'Univers avec une plus grande précision que le télescope spatial Hubble. Il permettra en outre d'étudier les atmosphères de planètes extrasolaires.

D'après le Dr Henri Boffin, responsable de presse de l'ESO, "Un net consensus s'est dégagé parmi la communauté astronomique européenne pour soutenir la proposition de l'ESO portant sur un ELT de 42 mètres, qui devrait être opérationnel pour 2018 au plus tard. ... Nous savons que le conseil de l'ESO a attribué en décembre 2004 à l'ESO la priorité absolue de sauvegarder la suprématie actuelle de l'Europe dans l'astronomie terrestre à l'ère de l'ELT et de se diriger dans un calendrier compétitif vers l'ELT européen".

Le miroir de ce nouveau télescope sera quatre fois plus grand que les deux télescopes américains Keck, d'un diamètre de 10 mètres, et reposera sur une technique révolutionnaire de 36 segments hexagonaux de miroir qui coopèrent comme une pièce unique de verre réfléchissant. Il devra également être équipé d'une optique adaptative, qui compense le flou engendré par les turbulences atmosphériques.

Vue d'artiste du futur télescope de 42 mètres de diamètre de l'ESO en situation d'observation.

Vue d'artiste du futur télescope de 42 mètres de diamètre de l'ESO en situation d'observation.



Jusqu'à quatre années d'études supplémentaires pourraient être nécessaires avant que le projet ne voie le jour, sur un site d'implantation qui reste encore à déterminer. Si tout se passe bien, l'ELT débutera ses activités en 2018.

Le projet initial envisageait un télescope OWL ("OverWhelmingly Large") pourvu d'un miroir de 100 mètres.

Les prétentions ont toutefois été revues à la baisse en 2005 car la construction aurait été trop coûteuse et trop complexe à l'échelle budgétaire de l'ESO, a déclaré Catherine Cesarsky, directrice générale de l'ESO.

Le 26 avril 2010, le Conseil de l'ESO a sélectionné le Mont Armazones comme site de référence pour le projet du futur télescope géant européen (E-ELT - European Extremely Large Telescope) de 42 mètres. Le Mont Armazones est une montagne haute de 3060 mètres dans la partie centrale du désert d'Atacama au Chili, à quelques 130 kilomètres au sud de la ville d'Antofagasta et à environ 20 kilomètres du Mont Paranal qui héberge le VLT de l'ESO.

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