Les très grands télescopes du futur

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Observer

Projet du grand télescope CELT (California extremely large telescope). L'échelle est donnée par les personnes sur la plateforme. Ce projet présente les caractéristiques des grands télescopes du futur : monture azimutale, diamètre collecteur segmenté de l'ordre de 30 m, instrumentation aux foyers Nasmyth.

Crédit : CELT

Projet du grand télescope OWL de l'ESO (overwhelmingly large telescope ; overwhelming = de façon écrasante), abandonné en 2006. Le miroir primaire (1), de diamètre 100 m, est segmenté et sphérique. Le miroir secondaire (2) est plan. Le système des miroirs 4 et 5 assure la correction de la sphéricité du miroir primaire, ainsi que l'optique adaptative ; ces miroirs ont un diamètre de 8.2 m, càd autant que les miroirs primaires du VLT de l'ESO.

Crédit : ESO

Vers les très grandes surfaces collectrices

Les diamètres collecteurs ont régulièrement augmenté au cours du temps, pour collecter plus, et plus précisément, de photons. Divers projets de télescopes optiques de miroir primaire de 30 à 50 m sont dans les cartons. Des structures de telles dimensions existent déjà, mais dans le domaine radio, avec des longueurs d'onde centimétriques et non submicrométriques.

Le projet CELT illustre les caractéristiques des futurs projets. Le projet OWL de l'ESO, préparant la classe des télescopes de 100 m, n'a pas abouti, car il supposait un trop radical changement d'échelle. Il a été remplacé par un projet de télescope de 39 mètres de diamètre, l'Extremely Large Telescope (ELT) de l'Observatoire Européen Austral, dont la première lumière est prévue en 2024.

Apprendre

Objectifs

Dévoiler les grandes lignes des projets de grands observatoires.

Pourquoi une grande surface collectrice

Certains besoins scientifiques (pas tous) nécessitent la collecte de flux de plus en plus faible, et donc des collecteurs encore plus grands que ceux de la classe 10 m entrés en action dans les années 1990.

Quelques principes

Les télescope de cette classe 10 m ont montré des changements importants par rapport à leurs prédécesseurs, induits simplement par leur taille.

• Monture azimutale et non plus équatoriale, cette dernière devenant impossible à mettre en oeuvre.
• Nombre d'ouverture plus petit, afin de réduire la focale du collecteur.
• Instrumentation sur une plateforme Nasmyth, le foyer Cassegrain ne pouvant plus accueillir une instrumentation trop lourde ou volumineuse.

Ces principes sont conservés pour les projets de télescope de la classe 30 m, avec en plus la généralisation des miroirs segmentés.

Difficultés pratiques

Si le principe des très grands télescopes est mûr, leur réalisation pratique pose de nombreux problèmes. Par exemple :

• Par conservation de l'étendue de faisceau, la taille de leur instrumentation focale croît à la mesure de la taille du collecteur.
• Une optique adaptative performante est nécessaire pour bénéficier pleinement du gain en diamètre. La complexité de l'OA croît plus rapidement que la surface du télescope.
• Le coût d'un observatoire varie environ comme la puissance quatrième du diamètre du collecteur.

Hypertélescope

Schéma de principe d'un hypertélescope. Une surface collectrice, ici modélisée par une lentille équivalente, est partiellement reconstituée par divers segments non jointifs pour une focalisation d'un faisceau parallèle au foyer commun F1. Ce foyer est réimagé en F2, chaque voie étant individuellement élargie par un système afocal grossissant : ceci conduit à la densification de la pupille. La taille du système optique entre F1 et F2 a été agrandie pour la clarté du schéma.

Crédit : ASM

Hypertélescope

Une solution alternative aux très grands télescopes pourrait consister à réaliser une surface collectrice avec plusieurs pupilles reconstituant une seule surface collectrice, mais non entièrement pavée ; un système optique apporte la densification de pupilles, et conduit au principe de l'hypertélescope. La réalisation pratique d'un hypertélescope n'est pas prévue dans un futur proche, un certain nombre de points durs techniques subsistant encore.

S'exercer

Hypertélescope

Difficulté : ☆☆☆   Temps : 60 min

Télescope de Fizeau. Une surface collectrice, ici modélisée par une lentille équivalente, est partiellement reconstituée par divers éléments non jointifs partageant un même foyer F1. mesure le diamètre d'une sous-pupille, l'écartement entre 2 sous-pupilles et le diamètre total.

Crédit : ASM

Schéma de principe d'un hypertélescope. Les morceaux de paraboles collectrices ont été remplacées par leur équivalent lentille. mesure le diamètre d'une sous-pupille ; leur écartement.

Crédit : ASM

La première figure donne le schéma de principe d'un hypertélescope. L'équivalent du miroir primaire est constitué de sous-pupilles, reconstituant de façon incomplète une surface collectrice correspondant à une immense parabole. mesure le diamètre d'une sous-pupille ; leur écartement.

La deuxième figure présente le montage du densificateur de pupille. Les lentilles L2 et L5 sont supposées identiques, si bien que le grossissement du système constitué de ces lentilles vaut -1 ; le grossissement angulaire du système afocal constitué des lentilles l3 et l4 est noté .

Cet exercice est à résoudre sans gros calcul ! Pour simplifier l'approche, on travaille sur une seule dimension, comme le montre la figure (sans chercher à reconstituer la surface collectrice).

Question 1)

On s'intéresse juste à l'optique en amont de F1. Quels paramètres dimensionnent la taille angulaire de la tache image en F1 d'une sous-pupille, de l'ensemble des sous-pupilles ? Mener l'analogie avec un réseau d'interférence composé de fentes de largeur séparées d'une distance , s'étalant sur une longueur totale .

Réfléchir au rôle de la diffraction par une sous-pupille, à celui des interférences entres sous-pupilles.

Mener l'analogie avec un réseau.

Question 2)

Déterminer l'action du système (l3, l4), en comparant les situations en F1 et F2.

Pour une comparaison aisée, imaginer que L2 et L5 ont les mêmes diamètre et focale que L1.

Question 3)

Quel est l'intérêt du système ? Que se passe-t-il lorsque ?

Mener un raisonnement géométrique s'appuyant sur la figure.

S'intéresser à la localisation de l'énergie dans les pics d'interférence.

Question 4)

Qu'a-t-on gagné, qu'a-t-on perdu avec cette opération ?

S'intéresser à la tache de diffraction.

S'intéresser au champ accessible, dimensionné par une tache de diffraction élémentaire

Que devient la tache de diffraction d'une sous-pupille ?

Réponses aux exercices

pages_collecter/elt-sexercer.html

Exercice 'Hypertélescope'

• Question 1
  Aide :

  Réfléchir au rôle de la diffraction par une sous-pupille, à celui des interférences entres sous-pupilles.

  
  Aide :

  Mener l'analogie avec un réseau.

  
  Solution :

  L'analogie avec un réseau de diffraction est immédiate. Une sous-pupille se comportant comme une fente individuelle d'un réseau de diffraction. Chaque sous-pupille diffracte le faisceau pour une tache image individuelle ; les interférences entre les sous-faisceaux conduisent à une taille angulaire .

  
  
• Question 2
  Aide :

  Pour une comparaison aisée, imaginer que L2 et L5 ont les mêmes diamètre et focale que L1.

  
  Solution :

  La recombinaison des faisceaux par L5 conduit à un système qui aurait des caractéristiques identiques à L1, mais en remplaçant par , c'est-à-dire, de façon équivalente, en remplaçant par . Tout se passe comme si on avait un gruyère avec moins de trous.

  En exagérant la taille des lentilles L2 et L5, jusqu'à celle de L1, on peut comparer directement les situations de

  

  Crédit : ASM
  
  
• Question 3
  Aide :

  Mener un raisonnement géométrique s'appuyant sur la figure.

  
  Aide :

  S'intéresser à la localisation de l'énergie dans les pics d'interférence.

  
  Solution :

  Lorsque , tout se passe comme si l'on avait réuni des collecteurs de diamètre plus important et qu'il n'y avait plus de trous dans le miroir équivalent. La pupille a été densifiée.

  
  
• Question 4
  Aide :

  S'intéresser à la tache de diffraction.

  
  Aide :

  S'intéresser au champ accessible, dimensionné par une tache de diffraction élémentaire

  
  Aide :

  Que devient la tache de diffraction d'une sous-pupille ?

  
  Solution :

  Le gain en termes de formation d'image est clair : on a reconstitué un plus grand miroir, et donc les images sont plus piquées (la fonction d'étalement du point est moins... étalée). Mais, comme la tache de diffraction d'une sous-pupille a été divisée par . Il en est de même du champ : le champ accessible par l'instrument a été réduit. Il y a toujours des compromis à faire.