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Dossier spcial - Les tlescopes gants de l'ESO


En 2005, l'avenir des tlescopes au sein de l'ESO semblait se diriger vers un futur tlescope de 100 mtres de diamtres, appel OWL. En voici la vision que l'organisme europen en avait.

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

Aujourd'hui pourtant, Philippe Dierickx travaille d'arrache-pied la conception de Owl (Over Whelmingly large: irrsistiblement grand), le plus ambitieux de tous les projets de tlescopes gants. Haut comme le second tage de la tour Eiffel, grand comme un terrain de football, le titan de l'ESO (European Southern Observatory) crasera ses petits camarades de 8 10 m de diamtre l'aube des annes 2020.

Du moins est-ce l'objectif que poursuivent l'ingnieur et une dizaine de personnes au sein de l'organisme europen. "Depuis 2000, l'ESO nous octroie 1,5 million d'euros par an pour tudier la faisabilit de Owl." Les amricains, engags eux aussi dans la course aux ELT (Extremely Large Telescopes), ont limit leur ambitions un "petit" 30 m, le Thirty Meter Telescope. Le saut technologique vers un 100 m est trop important, expliquent-ils. Ralisme ou excs de prudence?

Toujours est-il que Philippe Dierickx et ses collgues renderont leurs conclusions en septembre 2005, avec l'espoir de dmontrer qu'un tel monstre est ralisable. Car Owl est bien le tlescope de tous les dfis.

Reprsentation du tlescope OWL de 100 mtres de diamtre.

Reprsentation du tlescope OWL de 100 mtres de diamtre.



Dfi technologique, tout d'abord. Par exemple, comment construire un miroir de 100 m de diamtre orientable, dont la surface soit parfaitement lisse jusqu' l'chelle des longueur d'onde optiques, c'est--dire 0,5 micron-mtre prs? Vu ses dimensions, il est hors de question de fabriquer un miroir "passif", susceptible de se dformer sous son propre poids ou sous l'effet de la chaleur ou du vent. "Le miroir principal de Owl sera segment, rpond Guy Monnet, responsible de l'instrumentation dans l'quipe de l'ESO. Chacun des 3000 segments hexagonaux, d'environ 2m de diamtre, sera soutenu par trois actuateurs prcis aux 5 millionime de millimtre."

Prs de 10000 senseurs corrigerons ainsi en permanence la forme du miroir, qui sera parfaitement sphrique. Le miroir secondaire, perch plusieurs dizaines de mtres au-dessus du sol, sera lui aussi segment, mais plat. "Ce couple sphrique-plan est le plus simple, le plus sr et le moins coteux, reprend l'astronome. En revanche, il cre des aberrations abobinables. Nous lui adjoindrons donc un correcteur de quatre miroirs monolithiques." Dont deux seront de la taille d'une unit du VLT, soit 8 m.

Reprsentation de la disposition des mirroirs du OWL.

Reprsentation de la disposition des mirroirs du OWL.



Impressionnant, certes, mais gure effrayant pour les concepteurs de Owl: ils naviguent l en terrain connu. Paradoxalement, c'est le plus petit miroir du correcteur, celui-ci devra se dformer en chaque point de sa surface, en temps rel et au rythme de 50 fois par seconde, pour compenser les effets de la turbulence de l'atmosphre. Ce systme d'optique adaptative, qui seul permet d'atteindre la limite de rsolution thorique des grands tlescopes actuels, est videmment indispensable sur un 100 m. Sans lui, Owl ne verrait pas plus net qu'un instrument de 20 cm! Mais il ncessite l'action sur le miroir de milliers d'actuateurs (vrins commands par ordinateur), espacs de quelques millimtres 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 irralisable.

Pourtant, les astronomes europens ne sont pas dcourags. Ils comptent sur les prochaines avances technologiques. D'autant que, dans le domaine mcanique, les ingnieurs ont fait des prouesses. La structure de Owl, immense Meccano de 15000 lments, est d'une insolente lgrement: peine 15000 tonnes. "Elle n'est que 10 fois plus lourde que l'air qu'elle contient" prcise Guy Monnet. Mine de rien, c'est un joli progrs puiqu'une seule unit de VLT, construite l'chelle de Owl, pserait 680000 tonnes..." Nous avons mme une option avec des miroirs et une structure en carbure de silicium qui rduit le poids de 40%, ajoute-t-il. Hlas, ce matriau est cher et il se polit avec ... du diamant! Il nous en faudrait une tonne pour polir nos miroir."

A priori, l'hypothse d'un Owl ultralger restera donc dans les cartons. Au moins sommes-nous certains qu'il ne s'envolera pas. Mais le vent reste un problme cl pour le tlescope gant. S'il ne risque pas de le transformer en cerf-volant, il pourrait cependant le faire vibrer de manire trop importante. "Or nous ne savons pas calculer ses effets sur une grosse structure avec une prcision de l'ordre du micromtre, absolument ncessaire pour faire de l'optique, explique Guy Monnet. Nous n'avons pas de bon modles, ni mathmatique, ni en soufflerie." D'o l'intret des tests grandeur nature. Car aprs tout, des miroirs de prs de 100 m de diamtre, il en existe dj: ce sont les radiotlescopes. Une campagne de mesures a ainsi dbut cette anne sur le radiotlescope de 70 m de l'observatoire Jodrell Bank (Grande Bretagne). Peut-tre, 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 ces dimensions coterait beaucoup trop cher", rpond Guy Monnet. Le cyclope observera donc en plein air. En revanche, il aura sa caverne: "Dans la journe, il sera protg par un abri, type garage de Zeppelin. Comme il y en a un qui s'est construit rcemment prs de Berlin, nous savons combien a cote: 70 millions d'euros." Une paille, compar au milliard qu'il faudra investir pour que Owl voie le jour.

Vue d'artiste du futur tlescope de 100 mtres de diamtre de l'ESO en situation d'observation.

Vue d'artiste du futur tlescope de 100 mtres de diamtre de l'ESO en situation d'observation.



La gestion de cette somme considrable constitue un autre dfi. "Certains doutent que l'on puisse mener bien un tel projet", commente Philippe Dierichx. Il est vrai que Owl est fond sur un concepte nouveau en astronomie: la fabrication en srie des composants du miroir et de la structure. "Cette rupture technologique va faire exploser le diamtre des tlescopes optiques", assure Guy Monnet. Depuis 1980, il y a dj eu deux ruptures dans le domaine: l'optique adaptative, o les miroirs ne sont plus rigides mais flexibles (elle ne peut gure fonctionner que sur des tlescopes monolithiques de 8 10 m maximum, comme le VLT), et les miroirs segments, utiliss pour la premire fois sur le Keck et qui permettent d'atteindre les 30 m. "Owl utilise ces deux techniques et introduit la fabrication en srie qui permet de viser les 120 m, une limite dicte par la rsistance mcanique de l'acier", poursuit Guy Monnet.

Et quid de la "rsistance mcanique" des industriels? Apparemment, elle n'existe pas. "Leur rponses nos demandes d'tudes ont t trs positives", assure Philippe Dierichx. "Nous posons des questions auxquelles ils ne pensent pas forcment, ajoute Guy Monnet. Et parfois, a peut rapporter gros!" L'une des socits ayant ralis une tude pour les miroirs de Owl l'aurait dja reconvertie dans la fabrication d'crans plats de tlviseurs. Un march autrement juteux...

Simulation des capacits d'observation du OWL.

Simulation des capacits d'observation du OWL.



Le petit cran des astronomes, lui, devrait s'allumer en 2016. A cette date, le cœur du tlescope sera termin et les observations pourrons dbuter sur l'quivalent d'un tlescope de 60 m. "La construction continuera, mais il y aura peu d'interfrences avec le travail des scientifiques car la pose de nouveaux segments se fera le jour", souligne Philippe Dierichx. De toute faon, les chercheurs devrons apprendre travailler avec un instrument dont la maintenance sera quotidienne. En phase de croisire, partir de 2021, il faudra changer chaque jour cinq segments (sur les 3000) pour traiter les surfaces rflchissantes. "Cet entretien automatis prendra 10 heures par jour", prcise l'ingnieur. Mais la vrai rvolution est ailleur et les astronomes, dj, s'interrogent: Owl devra-t-il fonctionner comme un observatoire classique (o le temps total de tlescope est partag entre de nombreux programmes d'observation qui obtiennent chacun peu de nuits) ou la manire des grands quipements de la physique nuclaire, trusts par une poigne de "grands programmes"?

Tout dpend des dfis scientifiques qu'un tel monstre doit relever. Car Owl pourra tudier des objets de magnitude 37, soit l'clat d'une ampoule de 60 W 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 lumire d'une Terre extra-solaire", assure Guy Monnet. Les environs immdiats de prs de 1000 toiles de type solaire seront accessibles au cyclope de l'ESO. Les simulations montrent qu'il sera capable de dcouvrir, en peine une heure, une Terre dans un systme plantaire loign de 30 annes-lumire! Il pourra y dtecter l'ventuelle prsence d'ozone, d'eau, d'oxygne, de monoxyde et de dioxyde de carbone, de mthane... Il dcouvrira des systme solaires complets d'un seul coup d'oeil, il mesurera les orbites des plantes, reprera des anneaux. En outre, il sera le seul pouvoir faire des images dtailles de disques protoplantaire dans la plus proche rgion de formation d'toiles.

Grce Owl, les spcialistes de la physique stellaire esprent aussi observer individuellement des astres dans de nombreuses galaxies, dont des galaxies elliptiques, si mal connues. Et certains ont dj calcul le temps qu'il lui faudrait pour mener bien une campagne d'observation d'explosions d'toiles primordailes: quatre mois. "Mais Owl devra aussi rpondre aux grandes questions astrophysiques des annes 2020, reprend Guy Monnet. Quelles seront-elles? On peut penser, par exemple, qu'il sera possible de tester la thorie des cordes... Et de toute faon, comme chaque nouvel instrument, il nous apportera son lot de surprises!"

En dcembre 2005, la dcision fut prise d'abandonner ce projet, estim trop ambicieux et difficilement ralisable sans viter des drives budgtaires importantes. L'ESO c'es donc tourn vers un projet moins ambicieux d'un tlescope de 42 mtres de diamtre.

E-ELT

La communaut astronomique europenne est parvenue un consensus sur les spcifications techniques de ce qui constituera le plus grand tlescope optique infrarouge au monde.

Cofinanc par l'UE, le projet europen de tlescope "extrmement grand" (E-ELT, European Extremely Large Telescope) devrait disposer d'un budget d'environ 1 milliard d'euros pour l'Observatoire europen austral (ESO) afin de construire ce tlescope rvolutionnaire, dot d'un miroir de 42 mtres de diamtre.

Reprsentation du futur tlescope de 42 mtres de diamtre de l'ESO

Reprsentation du futur tlescope de 42 mtres de diamtre de l'ESO.



Le consensus atteint par les astronomes lors de leur runion a t soumis au conseil de l'ESO, qui devrait accorder son feu vert au cours des prochaines semaines.

S'il est approuv, l'E-ELT pourrait commencer observer partir de 2018 les premiers milliards d'annes de l'Univers avec une plus grande prcision que le tlescope spatial Hubble. Il permettra en outre d'tudier les atmosphres de plantes extrasolaires.

D'aprs le Dr Henri Boffin, responsable de presse de l'ESO, "Un net consensus s'est dgag parmi la communaut astronomique europenne pour soutenir la proposition de l'ESO portant sur un ELT de 42 mtres, qui devrait tre oprationnel pour 2018 au plus tard. ... Nous savons que le conseil de l'ESO a attribu en dcembre 2004 l'ESO la priorit absolue de sauvegarder la suprmatie actuelle de l'Europe dans l'astronomie terrestre l're de l'ELT et de se diriger dans un calendrier comptitif vers l'ELT europen".

Le miroir de ce nouveau tlescope sera quatre fois plus grand que les deux tlescopes amricains Keck, d'un diamtre de 10 mtres, et reposera sur une technique rvolutionnaire de 36 segments hexagonaux de miroir qui cooprent comme une pice unique de verre rflchissant. Il devra galement tre quip d'une optique adaptative, qui compense le flou engendr par les turbulences atmosphriques.

Vue d'artiste du futur tlescope de 42 mtres de diamtre de l'ESO en situation d'observation.

Vue d'artiste du futur tlescope de 42 mtres de diamtre de l'ESO en situation d'observation.



Jusqu' quatre annes d'tudes supplmentaires pourraient tre ncessaires avant que le projet ne voie le jour, sur un site d'implantation qui reste encore dterminer. Si tout se passe bien, l'ELT dbutera ses activits en 2018.

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

Les prtentions ont toutefois t revues la baisse en 2005 car la construction aurait t trop coteuse et trop complexe l'chelle budgtaire de l'ESO, a dclar Catherine Cesarsky, directrice gnrale de l'ESO.

Le 26 avril 2010, le Conseil de l'ESO a slectionn le Mont Armazones comme site de rfrence pour le projet du futur tlescope gant europen (E-ELT - European Extremely Large Telescope) de 42 mtres. Le Mont Armazones est une montagne haute de 3060 mtres dans la partie centrale du dsert d'Atacama au Chili, quelques 130 kilomtres au sud de la ville d'Antofagasta et environ 20 kilomtres du Mont Paranal qui hberge le VLT de l'ESO.

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