LESIA - Observatoire de Paris

MIRI sur le télescope spatial JWST

mardi 14 décembre 2010, par Jean-Michel Reess

Le LESIA est impliqué dans l’étude et la réalisation d’un ensemble de coronographes à haute dynamique pour l’instrument moyen-infrarouge du télescope spatial JWST (James Webb Space Telescope). Les objectifs scientifiques de ces coronographes sont :
- la détection d’exoplanètes joviennes autour des étoiles les plus proches
- l’étude des disques circumstellaires
- l’étude des noyaux actifs de galaxies

Caractéristiques du JWST

Le JWST, destiné à remplacer le HST (Hubble Space Telescope), est un télescope spatial déployable constitué d’un miroir primaire segmenté de 6.5m de diamètre. Son lancement est prévu en juin 2013 depuis le site de Kourou en Guyane par une fusée Ariane V. Il sera placé au point de Lagrange L2 du système Soleil-Terre.

Vue d’artiste du concept JWST comprenant un miroir primaire à 18 pétales hexagonaux. Le JWST sera positionné au point de Lagrange L2 en juin 2013

Le JWST embarquera à son bord 4 instruments focaux principaux :
-  MIRI (Mid-Infrared Instrument) ensemble constitué d’une caméra et d’un spectromètre fonctionnant dans l’infrarouge moyen [6-28]µm et placé la sous responsabilité d’un consortium européen
-  NIRCam (Near-Infrared Camera), caméra visible – infrarouge proche [0.6-5.0]µm sous responsabilité de l’Université d’Arizona (USA)
-  NIRSpec (Near-Infrared Spectrometer), spectromètre visible – infrarouge proche [0.6 – 5]µm sous responsabilité de l’ESA (agence spatiale européenne)
-  FGS (Fine Guidance Sensor) sous responsabilité de l’agence spatiale canadienne.

L’instrument MIRI

MIRI est un ensemble d’instrumentations fonctionnant dans le proche infrarouge et comprenant
-  MIRIM : un imageur multi-spectral associé à des coronographes et un spectromètre basse résolution
-  SMO : un spectromètre à intégral de champ

MIRI est développé à travers un partenariat entre la NASA et un consortium européen qui étudie plus particulièrement l’imageur et le spectrographe. L’équipe française dirigée par P.O. Lagage (CEA/Saclay) est chargée de l’étude optique et mécanique du module imageur. Le financement est assuré par le CNES.

Responsabilités des partenaires du consortium européen fournissant l’instrument MIRI

Design opto-mécanique de l’instrument MIRI et de la tête optique de l’imageur MIRIM

Principe de la coronographie par masques de phase

La fonction d’un coronographe est d’atténuer ou de supprimer le flux d’un objet très brillant (une étoile par exemple) afin d’observer son environnement proche peu lumineux (une exoplanète par exemple). La séparation angulaire entre une étoile et son système planétaire étant très petite, l’utilisation de coronographes classiques à pastille de Lyot n’est pas adaptée. Une nouvelle génération de coronographes de phase à 4 quadrants a été mise au point et étudiée par une équipe de chercheurs menée par D. Rouan. Ces coronographes appelés 4QPM (Four-Quadrant Phase Masks) permettent d’atténuer le flux de l’étoile et d’observer des objets angulairement très proches. En centrant l’image d’une étoile sur un 4QPM, l’énergie diffractée est rejetée en dehors de la pupille géométrique du système. Un diaphragme placé dans le plan pupille permet de bloquer le flux de l’étoile. En revanche une planète angulairement proche de l’étoile ne sera pas centrée sur le 4QPM et ne subira pas cet effet. Une grande partie de son flux passera par la pupille géométrique sans être bloqué par le diaphragme

Principe de la coronographie par masque de phase. En haut : extinction de l’image de l’étoile par effet coronographique. En bas : planète non affectée par coronographe

Le coronographe de MIRIM

L’imageur MIRIM comprend un ensemble de coronographes permettant l’étude :
- des exoplanètes joviennes
- des disques circumstellaires
- des disques autour des noyaux actifs de galaxies

Les coronographes sont situés au plan focal du JWST à l’entrée de l’instrument MIRIM. Ils sont composés de 3 masques de phase monochromatiques type 4QPM et d’un masque de Lyot. Les 3 masques de phase fonctionnent à 10.65µm, 11.4µm et 15.5µm respectivement alors que le masque de Lyot fonctionne à 23µm. L’ensemble des masques coronographiques est intégré dans une structure mécanique unique. Pour éliminer la diffraction résiduelle après les masques coronographiques, des diaphragmes sont associés à chaque masque et positionnés en pupille dans la roue à filtre de MIRIM. 

Schéma optique de l’instrument MIRIM avec l’implémentation des masques de Lyot et de phase au plan focal ainsi que les diaphragmes associés dans la roue à filtre au plan pupille.

A gauche : Plan focal coronographique comprenant 3 masques de phase et un masque de Lyot. A droite : diaphragme associé en plan pupille à un masque de phase.

Les activités du LESIA autour des coronographes de MIRIM

Depuis les premières phases du projet MIRI / JWST, le LESIA est responsable :
- de la validation des concepts coronographiques type 4QPM
- des simulations numériques pour la validation des performances et des optimisations de forme des diaphragmes
- de la livraison du plan focal coronographique qualifié aux normes spatiales, incluant les masques de phase intégrés dans leur structure mécanique et les diaphragmes associés.

Le LESIA est également impliqué dans les études systèmes MIRIM.

Banc de test visible de validation du concept de coronographe type 4QPM. En bas à gauche : sans coronographe, le compagnon est noyé dans la tache de diffraction de la source. En bas à droite : avec coronographe, la source principale est atténuée, le compagnon apparaît

Banc de test proche infrarouge de validation du concept de coronographe type 4QPM en ambiance cryogénique. A droite : coupe des images avec et sans masque de phase

Personnel LESIA impliqué

Nomresponsabilité
Anthony Boccaletti Responsable scientifique
Jean-Michel Reess Chef de projet
Pierre Baudoz Scientifique
Daniel Rouan Scientifique
Jacques Baudrand Optique
Olivier Dupuis Mécanique et intégration
Napoléon Nguyen Tuong Mécanique
Jérôme Parisot Bancs de tests
Claude Collin Réalisation mécanique
Christine Balsamo Administration et commandes

Avancement du projet

Les tests instrumentaux de MIRIM effectués au CEA/Dapnia en environnement cryogénique ont permis notamment de vérifier que les coronographes intégrés dans l’imageur atteignent les performances attendues.

MIRIM est maintenant dans la phase d’intégration du modèle de vol. Sa livraison est prévue en janvier 2010. La campagne de tests de l’ensemble des instruments MIRI se déroulera au RAL (Rutherford Appleton Laboratory) en 2010.

Premiers résultats obtenus avec MIRIM. Comparaison des mesures avec les simulations d’une source sur l’axe et d’une source hors-axe