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NAOS

Meudon - 3 mai 2001

L'optique adaptative : pourquoi ? comment ça marche ?
L'exemple du Very Large Telescope (VLT)


Le VLT est un ensemble unique au monde de quatre télescopes construits au sommet du Mont Paranal au Chili par l'European Southern Observatory (ESO). En l'équipant du système d'optique adaptative NAOS (Nasmyth Adaptive Optics System), l'ONERA et les observatoires de Paris et de Grenoble vont l'affranchir des effets néfastes de l'atmosphère et doter l'Europe d'une capacité d'observation exceptionnelle.


Un mal dont tous étaient atteints
Depuis près de quatre siècles, tous les instruments mis au point pour scruter l'Univers souffrent du même mal, d'autant plus difficile à éliminer que le coupable est l'atmosphère terrestre : la turbulence atmosphérique brouille leur vue. C'est comme lorsque l'on observe un coucher de soleil sur l'eau d'un étang : si la surface de l'eau est parfaitement plane, l'image est excellente. Mais dès que l'eau est agitée, l'image se trouble et le Soleil n'est plus alors qu'un vague halo lumineux. De même, la rencontre de fronts d'air chaud et d'air froid dans l'atmosphère, entraîne des inhomogénéités turbulentes de température, qui affectent la qualité des images restituées par le télescope. Conséquence : la résolution de l'instrument, c'est-à-dire sa capacité à percevoir des détails fins, ne dépend plus de la taille de son miroir, mais elle est limitée par les effets de la turbulence de l'atmosphère.

Construire les télescopes toujours plus haut
Pour s'affranchir des effets néfastes de l'atmosphère, on construit systématiquement les observatoires sur des montagnes soigneusement sélectionnées, où l'air est plus stable et plus transparent qu'en plaine. Peine partiellement perdue, puisqu'au sommet du Mont Paranal au Chili, avec un miroir de 8 m de diamètre sans dispositif correcteur, les meilleures nuits permettent seulement d'atteindre, dans le domaine du visible, la résolution théorique correspondant à un télescope de 45 cm ! Apparue dès 1946, l'idée d'installer des télescopes en orbite terrestre, donc au-delà de l'atmosphère, aboutit en 1990 avec le télescope spatial Hubble, lorsque les possibilités techniques qu'elle demandait furent disponibles. C'est un instrument de 2,4 m de diamètre, non gêné par l'atmosphère, et donc doté d'un fantastique pouvoir de résolution, qui est mis en orbite. Avec le système d'optique adaptative NAOS, le VLT aura une résolution augmentée d'un facteur trois par rapport à celle du télescope spatial Hubble.

L'optique adaptative, un système intelligent pour stabiliser et reformer l'image
Avec l'optique adaptative, les astronomes ont enfin trouvé la solution pour s'affranchir du brouillage dû à la turbulence atmosphérique : il faut corriger en temps réel la distorsion de l'onde lumineuse provoquée par les différentes couches atmosphériques situées entre l'objet observé et le télescope. La turbulence produit deux effets qui se superposent : elle déplace l'image dans son ensemble et entraîne également une déformation du front d'onde, qui n'étant plus plan mais tout bosselé, produit de ce fait un flou en tout point de l'image. Il suffit donc en théorie, de mesurer les déformations de l'onde incidente au moyen d'un analyseur de surface d'onde et de piloter en temps réel, à partir de cette analyse, deux miroirs qui ont chacun pour vocation de corriger l'un des deux effets parasites. Le premier miroir doit être finement orienté pour compenser le déplacement de l'image, le second doit être correctement déformé afin de la focaliser. Ainsi peut-on à la fois stabiliser et reformer l'image de l'objet observé. Mais si le principe est séduisant, sa mise en œuvre n'est pas simple. Ainsi, le système du VLT requiert 185 moteurs pour déformer, avec une amplitude d'une dizaine de microns, un miroir de 11 cm de diamètre et la forme de ce miroir doit pouvoir être adaptée 500 fois par seconde pour suivre au mieux les perturbations atmosphériques, qui changent à une cadence très rapide.

Voir plus petit, voir plus loin
L'optique adaptative restitue à un télescope au sol son pouvoir séparateur, c'est-à-dire son acuité visuelle. Avec NAOS, qui sera mis en service fin 2001 sur le quatrième télescope du VLT, les astronomes atteindront le pouvoir de résolution théorique du télescope dans l'infrarouge. Ils espèrent même, dans des conditions favorables, pouvoir atteindre cette ultime limite dans le visible. Ce regain d'acuité s'accompagne automatiquement d'un regain de sensibilité, du seul fait de la meilleure et constante focalisation de l'image. Des détails jusque là inobservables sont révélés. L'optique adaptative apporte ainsi au télescope le moyen de sonder l'univers beaucoup plus loin, tout en menant des analyses beaucoup plus fines des objets observés. Ainsi doté d'un incomparable pouvoir de résolution (observer un ballon de football à 1000 km!) le VLT fournira aux astronomes européens pendant les 10 années de la vie prévue de NAOS, l'outil indispensable à l'étude des planètes du système solaire, des environnements stellaires (enveloppes et disques protoplanétaires), ou de l'évolution des galaxies, pour ne citer que quelques exemples.



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