L’optique astronomique à l’élasticité

Contrôler les déformations des miroirs de télescopes permet d’éviter la dégradation des images astronomiques

Les origines de ces déformations sont diverses ; les comportements des pièces optiques varient en fonction des charges subies et des caractéristiques mécaniques des matériaux employés. L’Optique Active permet de contrôler les déformations des pièces optiques an d’obtenir des surfaces complexes de grande qualité, statiques ou variables avec le temps. Les principales applications de l’Optique Active sont : le polissage de pièces optiques asphériques sous contraintes, la stabilisation de la forme optimale d’une surface optique durant les observations, la déformation des pièces optiques in situ pour obtenir des surfaces optiques variables, les combinaisons de ces diérents cas. Les nouveaux objectifs scientiques prioritaires de la communauté astrophysique tels que la cosmologie, la physique des galaxies, la formation des étoiles et l’étude des planètes, nécessitent le développement de télescopes et d’instruments toujours plus performants, tant au sol que dans l’espace (Sec.1). Dans ce contexte, les champs d’application de l’Optique Active sont étroitement liés aux programmes scientiques en jeu et reliés aux dernières technologies d’imagerie. Si la plupart des télescopes actuels ont intégré l’Optique Active an de dépasser les limites technologiques, l’astronomie du futur demande de nouveaux développement en termes de technologie, de performances, de qualité des surfaces optiques. Les prochains instruments scientiques bénécieront des qualités d’optiques fournies par l’Optique Active, indispensables pour atteindre les spécications de très haut niveau demandées (Sec.2). A partir d’analyses basées sur les équations analytiques de la théorie de l’élasticité, il est possible de paramétrer les déformations des miroirs de télescopes an de les contrôler dans le temps, ou lors de leur fabrication. Par rapport à cette démarche, le développement des logiciels de calculs par éléments nis a permis d’atteindre un niveau supérieur dans la connaissance des déformations des pièces optiques. La précision des calculs est accrue et les qualités de surfaces gagnent elles aussi un ordre de grandeur. Enn, cet outil numérique a permis d’établir un lien clair entre les modes de déformations mécaniques et les modes d’aberrations optiques du front d’onde (Sec.3)

Objectifs scientiques en astrophysique moderne

 Les premiers instants de l’univers, la formation des étoiles et des galaxies, la naissance des systèmes planétaires. Voila trois thèmes identiés par la communauté astrophysique européenne comme étant les priorités des recherches à venir. Loin de vouloir faire une liste exhaustive des sujets scientiques, les exemples qui suivent permettent d’illustrer les enjeux scientiques à travers des thèmes reliés aux projets instrumentaux en cours ou à venir, depuis la recherche d’exoplanètes jusqu’à la cosmologie. 

Sommes-nous seuls dans l’univers ? 

La recherche de planètes extrasolaires a débuté en France, à l’Observatoire de Haute Provence, avec la première découverte d’une planète orbitant autour de l’étoile 51Pegasus [Mayor & Queloz 1995]. Le compagnon a été détecté indirectement par son inuence sur son étoile hôte. Cette découverte a marqué le départ de projets phares de la communauté internationale. Les projets spatiaux tels que CoRoT, Darwin, ou Tpf, ainsi que les projets au sol avec Harps et Sophie, ou Sphere sur le Vlt vont permettre d’approfondir nos connaissances en la matière, de caractériser les planètes détectées, de les imager, d’analyser la composition de leurs éventuelles atmosphères. Avec plus de 200 planètes extrasolaires, des systèmes planétaires, et la première planète tellurique potentiellement habitable identi- ée récemment [Udry et al 2007], la science a fait de nouveaux pas vers la réponse à une grande question : Sommes-nous seuls dans l’univers ? La jeune étoile gq-lupi située à 103 années lumière et son faible compagnon planétaire 1.1.2 La formation des étoiles L’observation à l’échelle de notre galaxie nous amène à l’étude de sa structure et permet d’étudier les mécanismes de la formation stellaire. Les nuages de gaz et de poussières interstellaires sont la toile de fond de la naissance, vie et extinction des étoiles. Ils renferment en outre des éléments chimiques qui peuvent former des molécules très complexes. La formation des étoiles massives est encore un phénomène mal compris, et plusieurs théories nécessitent de nouvelles observations. Les régions d’hydrogène ionisé, ou régions Hii, semblent être des lieux privilégiés pour leur formation [Zavagno et al 2005]. Leur étude demande des observations à haute résolution angulaire pour analyser les procédés d’assemblage et d’eondrement des nuages interstellaires et rechercher des disques circumstellaires autour des étoiles massives. RCW79, une région H ii dans la Voie Lactée, milieu privilégié de formation d’étoiles massives. 

Physique des galaxies

 L’existence des trous noirs prédits par la théorie d’Einstein a pu être mise en évidence par l’utilisation des dernières techniques d’imagerie disponibles sur le Vlt. Un de ces objets a été détecté au centre de notre Voie Lactée, grâce à l’analyse du mouvement orbital des étoiles proches du centre galactique, dans la constellation du Sagittaire. Est-ce le cas pour toutes les galaxies, comment se forme un trou noir, comment évolue-t-il ? Les capacités du satellite Galex ont récemment permis de « surprendre » un trou noir en agrant délit d’absorption d’un étoile au centre d’une galaxie proche [Gezari et al 2006]. Des observations à résolution et sensibilité extrêmes sont nécessaires pour analyser les évolutions des structures aux centres des galaxies. Les capacités en résolution d’un télescope géant, couplées à une optique adaptative puissante, permettront l’imagerie directe et l’analyse des objets détectés. Imagerie du centre galactique de la Voie Lactée grâce au système d’optique adaptative NaCo. 

 Les premiers âges de l’univers

 La compréhension de l’assemblage et de l’évolution des galaxies constitue un enjeu majeur dans la recherche de nos origines. La naissance des galaxies primordiales a permis la ré-ionisation de l’univers pour le rendre transparent. L’évolution de l’univers après les Âges Sombres n’est connue quasiment que par des modèles numériques, puisque la plus lointaine galaxie aujourd’hui observée se situe à un redshift record de z=6.964 [Iye et al 2006]. Les enjeux cosmologiques passent par des observations à très haut redshift, c’est à dire qu’il nous faut remonter le temps en observant à plus de 10 milliards d’années lumière de distance. Le nouveau télescope infrarouge Vista et son projet d’observation ultra profonde, ou encore les futurs spectrographes du Jwst et des Elts permettront de confronter les modèles théoriques de ré-ionisation à des observations au delà de z = 7. Remonter le temps nécessitera de pouvoir imager des champs très étendus avec la meilleure résolution, an de pouvoir analyser les objets les plus lointains. iok-1, une galaxie à z=6.964 du Subaru Deep Field