Optique adaptative

Principe d'un système d'optique adaptative

Si les plus grands télescopes terrestres sont situés en altitude c'est parce que notre atmosphère est une véritable gêne pour l'observation du ciel.
L’atmosphère terrestre est dynamique, ses couches d’air sont hétérogènes en température, se déplacent, se mélangent, échangent de l'énergie, et les perturbations dues à la pression, la chaleur, l'humidité, le mouvement, gênent énormément les observations astronomiques faites depuis la Terre. En effet cette turbulence atmosphérique permanente et imprévisible, fait trembler les images reçues au rythme des variations des molécules d'air des couches atmosphériques. Comme les molécules d'air s'agitent très vite, forment des tourbillons, se déplacent en quelques millisecondes, les objets observés s'agitent aussi, et se mêlent, rendant les images floues. 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 la dernière milliseconde de son voyage, sur l'atmosphère terrestre.
A partir des années 2000 des systèmes d'optique adaptative (OA) sont expérimentés sur des télescopes existants et depuis 2010 le système d'OA fait partie de l'équipement standard des grands observatoires.
Quel est le principe d'un système d'optique adaptative ?
L'optique adaptative permet d'observer le ciel en réduisant les effets de la distorsion optique dynamique, les effets perturbateurs des turbulences, qui floutent les images, sont ainsi "éliminés".
Le système temps réel d'optique adaptative, analyse les perturbations de la lumière par l'atmosphère, les ordinateurs d'optique adaptative calculent les corrections à apporter et actionnent toutes les millisecondes des mini miroirs déformables (de l'ordre de 16 mm à 50 mm) usinés au niveau microscopique, afin de compenser les avances et les retards subis par les fronts d'onde de lumière.

Ces fronts d'onde, alors qu'ils sont quasiment plans dans le vide interstellaire, sont de plus en plus déformés lorsqu'ils traversent les couches de l'atmosphère (voir image). Les images focalisées par les télescopes sont d'autant plus floues que les turbulences sont fortes. Ce qui est extrêmement gênant lorsque les scientifiques observent des objets à faible luminosité de l'Univers jeune.
Un système d’optique adaptative a besoin d’une référence, une « étoile guide » pour calibrer le senseur de front d’onde du télescope. Cette étoile doit être suffisamment brillante et située au voisinage de l’astre observé. Or, malgré le nombre élevé d'étoiles, l'opération n'est pas simple, alors les scientifiques ont eu l'idée de créer une étoile virtuelle. Cette étoile est une étoile laser. Le système d'optique adaptative envoie un faisceau laser dans les couches de sodium de la mésosphère (entre 50 km et 100 km d'altitude), celui-ci "rebondit" et une étoile artificielle apparait. Bien que cette étoile laser pose un tas de problèmes techniques, c'est grâce à elle que le système détermine "correctement" l'instabilité de l'air au voisinage de l'objet observé.

N. B. : Les miroirs déformables sont des optiques adaptatives avec des faces dynamiques capables de modifier le front d'onde de la lumière réfléchie pour une application spécifique. Avec un contrôle temporel, un miroir déformable peut focaliser un faisceau à différents points à différents moments dans un système optique. Ils peuvent améliorer les images optiques dans les télescopes et autres systèmes d’imagerie. Les miroirs déformables sont disponibles dans une variété de tailles. Les dimensions standard vont de 16 mm de diamètre avec 37 actionneurs (DM 25-37) à 50 mm de diamètre avec 61 actionneurs (DM 50-61).

Image : Comparaison entre deux images d'amas d'étoiles lointaines. Celle de gauche a été prise, sans l'utilisation du système d'optique adaptative et celle de droite, avec le système AO. Historiquement, chaque fois que les télescopes grossissent, les problèmes grossissent aussi, c'est ce que les ingénieurs appellent « coefficient de difficulté ». Avec un système d'optique adaptative, les images sont corrigées en temps réel, en fonction du flou atmosphérique, qui n'est pas toujours aussi prononcé, cela dépend des turbulences du moment. Lorsque l'atmosphère est perturbée, le flou est plus accentué, on peut faire l'analogie avec les vagues d'une mer agitée et les vagues d'une mer calme. Crédit image : GMT (Giant Magellan Telescope).

Les étoiles Laser

En optique adaptative, l'étoile laser permet de ne pas être dépendant d'une étoile réelle, proche de l'objet observé. Les effets perturbateurs de l’atmosphère terrestre sont réduits et les scientifiques obtiennent des images plus nettes.
Cette étoile guide laser, créée artificiellement dans le champ d'observation, améliore la qualité de la correction des télescopes terrestres qui utilisent l'optique adaptative.
Le faisceau laser de Yepun, l'un des quatre télescopes du VLT, traverse le ciel du sud et crée une étoile artificielle à une altitude de 90 km dans la mésosphère de la Terre. Le Laser Guide Star (LGS) est utilisé comme référence pour corriger l'effet de flou de l'atmosphère sur les images. La couleur du laser est réglé avec précision pour dynamiser une couche d'atomes de sodium présents dans l'une des couches supérieures de l'atmosphère. La couleur du laser a la même couleur que les réverbères au sodium de nos villes. Lorsque les atomes de sodium sont excités par la lumière du laser, les atomes deviennent incandescents, formant une petite tache lumineuse qui peut être utilisé comme une étoile de référence artificiel pour l'optique adaptative. Grâce à cette technique, les astronomes peuvent obtenir des observations beaucoup plus nettes. Par exemple, lorsqu'ils regardent vers le centre de notre Voie Lactée, les chercheurs peuvent mieux observer le ballet des étoiles, le gaz et la poussière qui gravitent autour du trou noir supermassif central.

Image : Les astronomes du Very Large Telescope à Cerro Paranal au Chili, utilisent un faisceau laser dirigé dans la direction de l'observation pour créer une étoile artificielle pour l'optique adaptative. La couleur du laser, réglée avec précision, dynamise les atomes de sodium présents dans l'une des couches supérieures de l'atmosphère. Crédit image Yuri Beletsky Observatoire Paranal de l'ESO, Chili.

Image : Les fronts d'onde sont quasiment plans dans le vide interstellaire mais sont déformés lorsqu'ils qu'ils traversent les couches de l'atmosphère. Le système temps réel d'optique adaptative calcule les corrections à apporter et agit instantanément sur des mini miroirs déformables afin de compenser les avances et les retards subis par les fronts d'onde de lumière. Crédit image : www.astronoo.com

Liste des plus grands télescopes optiques