Observatoire de Paris Institut national de recherche scientifique français Univerité Pierre et Marie Curie Université Paris Diderot - Paris 7

CANARY

Le démonstrateur de MOAO

lundi 8 ao√Ľt 2022, par Eric Gendron

CANARY est un instrument prototype dont le r√īle est de d√©montrer la faisabilit√© de la MOAO (Multi-Object Adaptive Optics) sur le ciel.

Historique

Contexte scientifique

Expliquer les processus de formation des galaxies dans les √Ęges les plus recul√©s de l’univers requiert d’en conna√ģtre √† la fois la morphologie et la d√©composition spectrale des structures qui les composent. L’instrument capable de fournir une telle information s’appelle un spectrographe √† int√©grale de champ. Ces galaxies primordiales √©tant prodigieusement distantes, leur lumi√®re est d√©cal√©e vers le rouge par effet Doppler et cette analyse doit se faire dans l’infra-rouge (IR). De plus, seule une analyse statistique, faite sur un tr√®s grand nombre d’objets, peut permettre de tirer des conclusions pertinentes : au vu de l’extr√™me faiblesse des objets en jeu (magnitude 28 et plus) et du long temps de pose (8 heures) qui en d√©coule, il est fondamental de pouvoir observer beaucoup d’objets en m√™me temps et donc de travailler sur un tr√®s grand champ, de l’ordre de 10 arcminutes. A l’ensemble de ces contraintes, il faut ajouter que ces galaxies ont une tr√®s petite taille apparente (inf√©rieure √† 1 seconde d’angle), et n√©cessitent l’emploi d’une optique adaptative (OA) pour √™tre spatialement r√©solues. L’addition de l’ensemble de ces exigences conduit √† un spectrographe IR multi-object √† int√©grale de champ avec optique adaptative tr√®s grand champ. En 2000, un tel instrument est techniquement impossible √† r√©aliser, parce qu’une optique adaptative (OA) corrigeant un champ de plus de 10 arcminutes sur un t√©lescope g√©ant est un monstre d’optique faisant obligatoirement intervenir des pi√®ces optiques de tailles prohibitives, de l’ordre du m√®tre ou plus. Il faut rajouter √† cela que ces galaxies sont observables essentiellement dans la direction du p√īle galactique, l√† o√Ļ le regard n’est pas g√™n√© par les √©toiles ou le gaz de notre propre galaxie. De fait c’est aussi l√† que les √©toiles-guides n√©cessaires √† l’analyse de surface d’onde sont les moins nombreuses, rendant la t√Ęche de l’OA laborieuse, voire inefficace.

Naissance de la MOAO

C’est pour cette raison qu’en 2000 √† l’Observatoire de Paris, un nouveau type d’optique adaptative voit le jour. Le projet se nomme FALCON. Il s’agit d’une technique d’optique adaptative nouvelle, qui utilise la tomographie pour d√©terminer le front d’onde dans des directions d√©pourvues de source-guide, et qui pr√©voit de segmenter l’immense champ de 10 arcminutes (ou plus) en autant de sous-champs qu’il y a de galaxies et d’√©toile-guides, et de contr√īler les miroirs d√©formables en boucle ouverte. Cette approche "boucle ouverte" est une r√©volution en optique adaptative, dont le fonctionnement de base repose sur l’utilisation d’une boucle d’asservissement ferm√©e. FALCON est pr√©sent√© en 2001 √† une conf√©rence, mais ne re√ßoit alors de la part de la communaut√© instrumentaliste europ√©enne qu’un accueil mitig√©.

Cependant, le concept s’exporte aux Etats-Unis, o√Ļ il est repris. L√†-bas, en 2003, il acquiert un nouveau nom : MOAO, pour "Multi-Object Adaptive Optics". C’est avant tout l’exemple am√©ricain et l’introduction de la MOAO dans le plan d’instrumentation du t√©lescope g√©ant am√©ricain TMT (pour Thirty Meter Telescope), qui a d√©cid√© les europ√©ens √† se lancer √† leur tour dans la MOAO, technique jug√©e p√©rilleuse en raison de d√©fis techniques encore non d√©montr√©s.

En 2006, l’Europe propose alors plusieurs instruments utilisant la MOAO en vue de l’instrumentation du t√©lescope g√©ant europ√©en (l’E-ELT), en France et en Angleterre. En 2007, l’ESO voit d’un mauvais oeil la prolif√©ration de consortiums concurrents car cela divise les forces, et d√©cide de les r√©unir : le projet √©mergent s’appelle alors EAGLE. Plus tard, en 2012, EAGLE fusionnera √† nouveau avec le spectrographe multi-objet EVE-OPTIMOS (sans optique adaptative), pour former MOSAIC. Mais en 2007, afin de prouver la faisabilit√© technologique de EAGLE, le consortium d√©cide de lancer la construction d’un prototype destin√© √† d√©montrer la viabilit√© de la technique sur le ciel : c’est le projet CANARY.

Le projet CANARY

Le projet CANARY est n√© de la fusion de 2 programmes au moment du lancement du projet EAGLE de l‚ÄôE-ELT. D’une part d’un programme de cr√©ation d’une plateforme de R&D en optique adaptative sur le t√©lescope William Herschel de 4.2m (WHT, install√© aux Canaries sur l’√ģle de La Palma) propos√©e par l’Universit√© de Durham en Grande Bretagne, et d’autre part d’un programme fran√ßais d’√©tude d‚Äôun d√©monstrateur pour la MOAO (Multi-Object Adaptive Optics) dans le cadre d’un appel d’offre de l’ANR en 2006.

Les partenaires du projet CANARY sont l’Observatoire de Paris (LESIA et GEPI), l’Universit√© de Durham, l’ATC, l’ING, le LAM, l’ONERA, le L2TI/Instit. Opt. Grad. School.

Le but de CANARY est donc de d√©montrer la faisabilit√© de la MOAO sur le ciel sur le WHT. CANARY est un "EAGLE simplifi√©". CANARY utilise des √©toiles sur les bords du champ pour d√©duire par une analyse tomographique le front d’onde dans une 4i√®me direction : au centre du champ.

Le projet CANARY est d√©coup√© dans le temps en 3 phases :

  • Phase A (2007-2010) sous la responsabilit√© du LESIA : MOAO sur 3 √©toiles naturelles (NGS). 3 analyseurs mesurent le front d’onde incident sur 3 √©toiles naturelles (de magnitude <12) hors axe en boucle ouverte, transmettent l’information au calculateur temps-r√©el, qui calcule alors la correction √† apporter au centre du champ (√† une fr√©quence max. de 250Hz). Au centre du champ est plac√© le train optique de v√©rification, comprenant un miroir d√©formable, un miroir tip-tilt et un analyseur de front d’onde, tous reli√©s au calculateur temps-r√©el, et une cam√©ra d’imagerie IR. On peut ainsi d√©montrer la MOAO en direct.
  • Phase B (2011-13) sous la responsabilit√© de l’Universit√© de Durham : MOAO avec 3 √©toiles naturelles et 4 √©toiles laser (LGS). Un ensemble de lancement de 4 √©toiles laser hors axe (type Raleigh) sera install√© sur le WHT, et un analyseur de surface d’onde additionnel permet de mesurer les fronts d’onde de ces √©toiles laser. Les 7 mesures de front d’onde (3 naturelles + 4 lasers) sont envoy√©es au calculateur temps-r√©el, qui en d√©duit la correction √† apporter au centre du champ.
  • Phase C : (2014-15) sous la responsabilit√© de l’Universit de Durham. Dans un premier temps (phase C1), les analyseurs des √©toiles lasers et naturelles sont plac√©s en boucle ferm√©e avec le miroir d√©formable actuel des phases A et B, dans un mode dit LTAO. Dans un deuxi√®me temps (C2), un 2i√®me miroir d√©formable avec 32x32 actionneurs est plac√© en boucle ouverte dans un train optique central additionnel, apr√®s le miroir d√©formable actuel en boucle ferm√©. Dans cette derni√®re configuration, CANARY est tr√®s proche de l’optique adaptative d’EAGLE.

Détails techniques

Phase A

Dans le plan focal du t√©lescope, trois analyseurs de front d’onde viennent se placer sur les √©toiles-guides hors-axe qui servent √† l’analyse tomographique. Le champ total mesure 40mm de diam√®tre, et les analyseurs doivent se d√©placer dans cette zone. L’ensemble motoris√©, le robot, qui manipule et d√©place les analyseurs a √©t√© construit au GEPI √† l’Observatoire de Paris. Les 3 cam√©ras (4 kg chacune) sont des cam√©ras Andor EMCCD, lues √† 250 Hz, d’un bruit de lecture de l’ordre de 0.5 √©lectron/pixel.

Le faisceau venant de l’√©toile centrale, au centre du champ, doit √™tre corrig√© par le miroir d√©formable. On voit sur la figure ci-contre le chemin optique, qui est un relai classique comprenant 2 paraboles hors-axe, avec le miroir d√©formable dans le plan pupille. Le trajet compte aussi un miroir de correction de tilt, qui est une copie du miroir tip-tilt de SPHERE. Le miroir d√©formable est un miroir √† 8x8 actuateurs, de type piezostack (il s’agit du miroir qui √©quipait anciennement le syst√®me d’optique adaptative du t√©lescope de 3.60m de l’ESO appel√© ADONIS). Ce trajet comporte √©galement une cam√©ra d’acquisition qui permet de visualiser l’int√©gralit√© du champ, fondamental pour les calibrations et au moment du pointage du t√©lescope.

A la fin du trajet optique, le faisceau est divis√© en deux parties : en vert sur la figure ci-contre, le faisceau est envoy√© vers un analyseur de surface d’onde qui est l√† en tant qu’"espion", √† des fins de diagnostic. Il permet d’analyser toutes les erreurs qui ont √©t√© faites par l’analyse tomographique et la commande en boucle ouverte du miroir d√©formable. Cet analyseur, qui voit donc l’action du miroir d√©formable, permet √©galement de fermer la boucle d’asservissement en mode "classique", sur l’axe, √† des fins de comparaison avec le mode MOAO pur.

Phase B, C

Dans la phase B, 4 analyseurs de front d’onde sur √©toile laser vont √™tre rajout√©s aux 3 analyseurs existants. Le laser est de type Rayleigh, et l’altitude de l’√©toile laser sera de 15 km environ. Le but sera le m√™me que pendant la phase A : d√©montrer sur le ciel la faisabilit√© du contr√īle en boucle ouverte et de la reconstruction tomographique, cette fois-ci en combinant lasers et √©toiles naturelles.

Enfin, en phase C, le module comprenant les 7 analyseurs (laser et naturel) passera en aval du miroir d√©formable et fonctionnera en boucle ferm√©e (donc de mani√®re plus classique). Mais le syst√®me s’enrichira d’un deuxi√®me √©tage de correction avec un miroir hauts-ordres (32x32 actuateurs), en aval de ce syst√®me boucle ferm√©e. Ce deuxi√®me miroir sera pilot√© en boucle ouverte √† partir des mesures des analyseurs boucle ferm√©e. Cet ensemble, complexe, simulera alors totalement le fonctionnement de la MOAO sur le futur E-ELT.

Résultats de la phase A

Images compar√©es des performances de l’optique adaptative. Cas non corrig√©, corrig√© par GLAO, SCAO (=OA classique) et MOAO. On note que la performance de la MOAO flirte avec l’optique adaptative classique.

CANARY a d√©croch√© une premi√®re mondiale (communiqu√© de presse et publication du STFC) en obtenant sur le ciel en Septembre et Novembre 2010 des r√©sultats qui d√©montrent la faisabilit√© de la MOAO, sur un ensemble de 4 √©toiles de 11i√®me magnitude. L’image ci-contre illustre ce r√©sultat brillant. Les chiffres en % indiqu√©s en rouge d√©finissent le rapport de Strehl des images. C’est un indicateur de la qualit√© de l’image, qui vaut 100% quand l’image ne comporte aucun d√©faut et est limit√©e par la diffraction.

Résultats de la phase B

Laser puls√©, tir√© depuis l’arri√®re du miroir secondaire du t√©lescope William Herschel. Le laser est utilis√© pour former une √©toile-guide artificielle √† 13.5 km d’altitude pour l’optique adaptative CANARY.

En 2012 ont eu lieu quatre runs d’exploitation de CANARY, totalisant 12 nuits, et permettant de collecter une moisson d’informations. Pourtant, seule une √©toile-guide laser a √©t√© form√©e, la configuration √† 4 √©toiles-guides laser sera mise en place en 2013. Mais d√©j√† cette configuration simple a permis de valider le tir laser, ainsi que le succ√®s de la correction en boucle ouverte √† partir d’une commande tomographique combin√©e √©toile laser + √©toiles naturelles. Les images obtenues ont √©t√© prises dans plusieurs bandes gr√Ęce √† la mise en place d’une nouvelle cam√©ra infra-rouge d√©velopp√©e au lesia. Enfin, une collaboration avec le L2TI et l’ONERA a permis de mettre en place et de tester, pour la premi√®re fois sur le ciel, une commande de type LQG.

Vue du t√©lescope William Herschel depuis plateforme sup√©rieure de la coupole. Le miroir primaire est cach√© par les p√©tales de protection. On voit au premier plan au centre le projecteur laser, install√© derri√®re le miroir secondaire du t√©lescope par l’Universit√© de Durham.

Vid√©o de l’image de l’analyseur de surface d’onde laser, sur un spot laser extr√™mement allong√©, car √©tendu sur 3000 m√®tres (de 12 √† 15 km d’altitude). Chaque sous-pupille de l’analyseur se comporte comme un petit t√©lescope qui observe le segment-laser de 3km depuis un point diff√©rent de la pupille. C’est l’effet de perspective qui cr√©e cette g√©om√©trie radiale, et cet allongement croissant lorsqu’on s’√©loigne du centre de la pupille, point de lancement du laser.