Optique adaptative et étoiles laser

Notre atmosphère est une gêne pour l'observation du ciel

L’atmosphère terrestre est dynamique, ses couches d’air sont hétérogènes en température. Ces couches se déplacent, se mélangent, s'échangent de l'énergie, et les perturbations dues à la pression, la chaleur, l'humidité, le mouvement, gênent énormément les observations astronomiques faites depuis le sol. De plus cette turbulence atmosphérique permanente et imprévisible.

Les images reçues par les télescopes tremblent au rythme des agitations et des tourbillons des molécules d'air. On dit que le front d'onde est perturbé. Le front d'onde plan, qui a voyagé pendant des milliards d'années se brise dans les dernières millisecondes de son voyage, sur l'atmosphère terrestre. Depuis 2010 le système d'AO fait partie de l'équipement standard des grands observatoires.

Principe général

L'Optique Adaptative (AO) est une technique permettant de corriger en temps réel les distorsions causées par la turbulence atmosphérique. Ces perturbations modifient le front d'onde lumineux et dégradent la résolution des télescopes au sol. Le système repose sur un miroir déformable contrôlé par un analyseur de front d’onde qui a été propose en 1953 par l'astronome américain, Horace Babcock (1912-2003).

Étoiles laser artificielles

Quand on veut observer une zone du ciel où il n’y a pas d’étoile brillante pour guider un télescope, les astronomes créent leur propre repère lumineux : une étoile laser artificielle. Ils envoient un faisceau laser jaune vers une fine couche de sodium située vers 90 km d’altitude dans la mésosphère. Les atomes de sodium sont excités et renvoient une lumière visible depuis le sol : on obtient un point brillant qui sert de référence pour corriger les effets de la turbulence atmosphérique et obtenir des images beaucoup plus nettes.

N.B. : Il existe bien une couche de sodium dans la mésosphère terrestre, centrée vers 90 km d’altitude. Elle n’est pas un « nuage » visible, mais un voile extrêmement ténu d’atomes Na issus de l’ablation des micrométéoroïdes.

Comment les images sont corrigées sur le miroir du télescope

Un capteur observe comment la lumière d’une étoile ou d’une étoile laser est déformée en traversant l’atmosphère. Un ordinateur traduit ces déformations en une carte qui indique où et combien le miroir doit être courbé pour compenser. De minuscules actionneurs poussent ou tirent sur l’arrière du miroir de quelques dizaines de nanomètres, afin de redonner à la lumière une surface de propagation régulière. Ce cycle mesure-analyse-correction est répété des centaines à des milliers de fois par seconde, pour suivre en direct les variations de la turbulence.

Performance et limites

L’objectif est d’annuler presque complètement les déformations imposées par l’air, pour obtenir des images aussi nettes que si le télescope était dans l’espace. La qualité se mesure par le facteur de Strehl, qui augmente quand l’optique adaptative réduit l’erreur résiduelle.

• La correction est limitée par le nombre d’actionneurs et leur rapidité.
• Les turbulences très fines ou très rapides peuvent rester partiellement non corrigées.
• Une étoile laser sert souvent de référence, mais elle ne reproduit pas exactement la lumière de la cible.
• Le bruit des mesures limite la précision ultime de la correction.

En pratique, la combinaison d'un capteur précis, d'un algorithme de reconstruction robuste et d'un DM rapide et dense permet d'obtenir des images corrigées qui s'approchent de la limite de diffraction du télescope pour la bande spectrale et l'angle corrigés.

Applications scientifiques

Les systèmes d’AO équipant des télescopes tels que le VLT ou Keck permettent d’obtenir des images dont la résolution approche la limite de diffraction. Ils sont essentiels pour l’imagerie d’exoplanètes, l’étude des noyaux galactiques ou des amas stellaires compacts.

Tableau comparatif des systèmes d'optique adaptative

Tableau comparatif des systèmes d'optique adaptative

Sources : ESO, Keck Observatory, Gemini Observatory, MagAO-X, Subaru Telescope, TMT Project.