LESIA - Observatoire de Paris

GRAVITY

General Relativity Analysis via Vlt InTerferometrY

mercredi 13 janvier 2016, par Guy Perrin, Thibaut Paumard

Un trou noir supermassif, surnommé Sagittarius A* ou Sgr A*, occupe le cœur de la Voie Lactée, notre galaxie. Il semble que cela soit le cas de la majorité des galaxies. Les trous noirs sont des objets très compacts. De tous les trous noirs connus, Sgr A* est celui qui apparait comme le plus étendu angulairement du fait du compromis avantageux entre sa taille intrinsèque et sa distance à la Terre. Cependant cette taille est encore trop petite pour permettre des études détaillées avec les instruments existants. C’est pourquoi le consortium GRAVITY s’est formé, avec l’objectif de concevoir un instrument de nouvelle génération capable de sonder l’espace–temps jusqu’à la frontière du trou noir.

Objectifs scientifiques de GRAVITY

Les spécifications de GRAVITY répondent en premier lieu au besoin d’étude d’orbites de sources très proches de Sgr A*, le trou noir supermassif au centre de la Galaxie. Cependant, GRAVITY permettra également des avancées spectaculaires dans de nombreux domaines de l’astrophysique moderne, par exemple :

  • noyaux actifs de galaxies ;
  • disque et jets autour d’étoiles en formation ou au sein de microquasars ;
  • trous noirs de masse intermédiaire au cœur des amas globulaires ;
  • planètes extrasolaires.

Pour en savoir plus sur les objectifs scientifiques de GRAVITY...

Un Instrument de deuxième génération du VLTI

Le Very Large Telescope (VLT) est un ensemble de quatre “grands” télescopes dont le miroir principal fait 8,2 m de diamètre (les Unit Telescopes, UT) et de quatre “petits” télescopes de 1,8 m de diamètre (les Auxiliary Telescopes, AT). Il est opéré par l’Observatoire européen austral (European Southern Observatory, ESO). Chacun des UT est utilisé comme un télescope indépendant, pourvu chacun de trois instruments propres. Mais il est également possible de combiner la lumière en provenance de plusieurs des télescopes d’une façon cohérente afin d’obtenir une résolution spatiale équivalente à celle qu’aurait un télescope unique pourvu d’un miroir primaire gigantesque, dont le diamètre est donné par la distance séparant les télescopes individuels : jusqu’à 134 m pour les UT, 200 m pour les AT. Cette technique se nomme l’interférométrie. Ainsi utilisé, l’observatoire du VLT est appelé VLTI, pour VLT Interferometer.

Le VLTI dispose actuellement d’une instrumentation de première génération capable de combiner la lumière provenant de deux ou de trois de ses télescopes simultanément. GRAVITY, instrument de deuxième génération, sera le premier à permettre l’observation de sources bien plus faibles que permis par la génération actuelle d’interféromètres.

Pour en savoir plus sur le VLT et le VLTI : Wikipédia, ESO

Un Instrument complexe

Afin d’accéder à la limite théorique en termes de résolution, de précision astrométrique, et de sensibilité, les chercheurs et ingénieurs qui conçoivent GRAVITY ont dû élaborer un ensemble complexe de sous-systèmes de haute technologie :

  • un système d’optique adaptative ;
  • un suiveur de franges ;
  • un spectromètre ;
  • une métrologie pour l’astrométrie de précision.

Pour en savoir plus sur le design de GRAVITY...

Un Consortium international

L’idée de GRAVITY est née de la collaboration de longue date entre le LESIA et l’Institut Max Planck pour la physique extraterrestre (MPE, Garching, Allemagne). Celui-ci a pris la direction du consortium, qui se compose également de deux autres instituts allemands (l’Institut Max Planck pour l’astronomie d’Heidelberg, MPIA, et l’Université de Cologne, UoC), d’un laboratoire français (l’Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble, l’IPAG), du Département d’Optique Théorique et Appliquée de l’ONERA (DOTA) et d’un laboratoire portugais (le laboratoire Systèmes, Instrumentation et Modélisation de Lisbonne et Porto, SIM).

Le LESIA et le DOTA agissent dans le cadre du groupement d’intérêt scientifique (GIS) intitulé Partenariat haute résolution angulaire sol–espace (PHASE) qui regroupe l’ONERA, l’Observatoire de Paris, le CNRS et l’Université Paris 7 – Denis Diderot.

L’Implication du LESIA

PHASE (et par voie de conséquence le LESIA) est chargé de plusieurs tâches concernant plusieurs sous-systèmes importants de l’ensemble :

  • étude des cas scientifiques pour la définition des spécifications et des modes d’observation ;
  • suiveur de franges : dimensionnement, conception, simulation des performances, logiciel temps réel et intégration ;
  • optique adaptative : étude système et simulations, logiciel temps réel ;
  • fonctions fibrées (lignes à retard différentielles et rotateurs de polarisation) ;
  • logiciel de réduction des données ;
  • participation à l’étude système générale de l’instrument ;
  • performances astrométriques.

Une telle charge de travail nécessite l’implication de nombreux personnels du LESIA (liste complète). Plus de 20 membres du LESIA travaillent sur ce projet.

GRAVITY a passé avec succès la revue finale de concept pour le recombinateur à la fin de 2011 et est entré en phase de réalisation début 2012. Celle-ci s’est poursuivie jusqu’à l’intégration complète de l’instrument à Garching en 2015 et la revue d’acceptance en Europe en juin 2015. La première lumière de GRAVITY au VLT s’est déroulée début 2016 avec les quatre télescopes auxiliaires du VLTI. La première lumière avec les télescopes de 8m du VLTI est prévue courant 2016. GRAVITY aura alors couté 7 millions d’euros hors coûts salariaux et nécessité une puissance de travail équivalente à 163 personnes occupées à temps plein pendant une année.