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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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