La technologie d'optique adaptative du CNRC aide les astronomes à voir mieux et plus loin

- Victoria Colombie-Britannique,

Les étoiles enchantent l'être humain depuis l'aube des temps. Malheureusement, leur scintillement empêche les astronomes d'obtenir une image claire du firmament. Bonne nouvelle : une technologie de pointe développée par le Conseil national de recherches du Canada (CNRC) élimine ce scintillement, ce qui devrait révolutionner l'étude de l'univers.

Quand elle pénètre dans l'atmosphère terrestre, la lumière d'une étoile traverse plusieurs couches d'air soumises à des turbulences, ce qui donne l'impression que l'astre clignote légèrement ou scintille. Ce phénomène déforme aussi les images captées par les télescopes terrestres. Heureusement, les scientifiques peuvent désormais corriger les perturbations atmosphériques grâce à l'optique adaptative et ainsi permettre aux télescopes de produire des images aussi nettes que cristallines.

Les scientifiques du Centre de recherche Herzberg en astronomie et en astrophysique du CNRC ont mis au point un système expérimental d'optique adaptative qui subit actuellement des essais très rigoureux sur le télescope McKellar de 1,2 mètre, situé en Colombie-Britannique. Le projet, baptisé REVOLT (pour Research, Experiment and Validation of Adaptive Optics with a Legacy Telescope ou « recherche, expérimentation et validation de l'optique adaptative avec un télescope classique »), utilise des caméras évoluées, des ordinateurs ultrarapides et des miroirs déformables pour corriger les aberrations engendrées par les turbulences atmosphériques. Avec l'optique adaptative, un télescope terrestre produit des images d'une qualité et d'une résolution aussi élevées que celles issues d'un télescope spatial, et ce, à un coût nettement plus bas.

Selon Jean-Pierre Véran, chef de l'équipe d'optique adaptative au Centre de recherche Herzberg en astronomie et en astrophysique, le projet REVOLT aura des implications considérables pour les plus grands télescopes optiques existants (jusqu'à dix mètres) et ceux actuellement en construction (jusqu'à 39 mètres). « Le temps d'observation sur ces grands télescopes fait l'objet d'une très forte demande. Avant de les doter d'une nouvelle technologie, on veut donc avoir la preuve qu'elle a atteint un très haut degré de maturité, explique-t-il. REVOLT est en quelque sorte le banc d'essai qui nous aidera à valider ces nouvelles technologies dans des conditions opérationnelles, mais sur un télescope plus modeste. »

L'image de l'étoile Alpha Persei, prise sans (à gauche) et avec (à droite) le système REVOLT, montre que l'optique adaptative multiplie la résolution par 5 et la sensibilité par près de 500.

Le projet, qui a duré près de deux ans, souligne le chercheur, a été testé avec succès pour la première fois en août 2022 sur le télescope McKellar. D'autres observations sont prévues pour septembre. « Les résultats montrent qu'on peut observer un objet près de 500 fois plus ténu durant le même laps de temps, un des principaux avantages de l'optique adaptative pour les télescopes de recherche de grande envergure », explique Kathryn Jackson, scientifique spécialisée en optique adaptative au Centre de recherche Herzberg en astronomie et en astrophysique. Les recherches indiquent que le système REVOLT corrige efficacement les turbulences atmosphériques et que 2 nouvelles technologies ont donné les résultats escomptés quand on les a testées dans des conditions opérationnelles. Ces technologies ont pour nom HEART (pour Herzberg Extensible Adaptive Real-Time Toolkit ou trousse à outils Herzberg d'optique adaptative élargie en temps réel) et C-Blue One, une nouvelle caméra commerciale à haute vitesse.

Une plateforme commandée en temps réel et une caméra

L'observatoire Gemini Nord, à Hawaï, premier client de HEART, a demandé aux chercheurs de voir comment ils pourraient corriger le scintillement sur son énorme télescope avec l'imageur d'optique adaptative de l'observatoire (GNAO).

Le contrôleur en temps réel (RTC) de l'instrument utilise la technologie HEART, mise au point par l'équipe multidisciplinaire du Centre de recherche. Avec sa configuration, son architecture et ses outils, HEART permet de modifier et de commander aisément n'importe quel système d'optique adaptative. Un peu à la manière d'un cerveau, le GNAO RTC traite les signaux naturels et ceux issus du capteur stellaire à guide laser pour commander les miroirs déformables.

« Les images que captera le système seront d'une résolution, d'une sensibilité et d'un contraste hors pair », affirme Jennifer Dunn, chef de l'équipe des logiciels du Centre de recherche. « Une fois installé, le système accroîtra de façon appréciable la production scientifique de Gemini. » La technologie HEART sera également déployée dans le système d'optique adaptative de plusieurs autres observatoires partout dans le monde.

La nouvelle caméra commerciale C-Blue One de First Light Imaging (en anglais seulement) fait partie intégrante de ce système. Elle a été employée pour la première fois avec le système d'optique adaptative d'un télescope observant de véritables corps célestes lors de l'expérience REVOLT. Cet appareil numérique CMOS à faible bruit prend 1 000 images à haute résolution par seconde.

Tout mettre ensemble

L'équipe multidisciplinaire de REVOLT se compose d'ingénieurs et de scientifiques spécialisés en optique adaptative, logiciels, optomécanique de grande précision et électronique. Elle collaborera aussi avec d'autres centres de recherche du CNRC qui utiliseront le banc d'essai cet automne.

Par exemple, le système REVOLT alimentera une fibre optique avec de la lumière stellaire corrigée pour illustrer dans le ciel le prototype d'un nouvel instrument à fibre optique baptisé « capteur à corrélation spectrale », mis au point conjointement par les scientifiques du Centre de recherche Herzberg en astronomie et en astrophysique et ceux du Centre de recherche en électronique et photonique avancées. On a recouru à la technologie des puces de photonique en silicium pour concevoir un instrument d'astronomie léger et ultra compact qui détectera en temps réel et avec une sensibilité extrême les gaz composant l'atmosphère des étoiles et des planètes lointaines. Il s'agira du premier essai pratique de cette technologie dans des conditions réelles, sur un télescope semblable à ceux utilisés par la profession.

De son côté, le Centre de recherche en nanotechnologie du CNRC utilisera REVOLT pour mettre à l'essai une nouvelle génération de miroirs déformables à basse tension (LVDM). Les miroirs LVDM corrigent les images captées par les télescopes terrestres ou transmises par les liaisons sol-espace qui sont déformées par les turbulences atmosphériques. Les miroirs LVDM sont essentiels à l'intégration des éléments composant les miroirs déformables à système micro-électromécanique (surface réfléchissante du miroir, vérin électromécanique, circuits de la plaquette à semi-conducteurs, carte de circuits imprimés) en raison de la faible tension qui commande l'électromagnétisme (ou force de Lorentz) d'un puissant aimant permanent. La technologie LVDM compense les erreurs dues aux turbulences atmosphériques en temps réel avec une consommation d'énergie incroyablement faible, un important déplacement du miroir, un facteur de remplissage élevé de la surface de réflexion et une réactivité de l'ordre de la milliseconde.

Le système REVOLT jouera un rôle déterminant dans la démonstration des nouvelles technologies indispensables à l'évolution de l'optique adaptative, et fera ainsi progresser l'astronomie et la physique et nous aidera à mieux comprendre le fonctionnement de la nature. L'optique adaptative rend aussi possibles les technologies de rupture employées dans de nombreux domaines, comme les télécommunications, l'ophtalmologie, la microscopie et le traitement de certaines maladies au laser.

« Ce système offre de nombreux avantages à long terme pour la population canadienne et du monde entier. Plus vite nous réussirons à mettre au point ces nouvelles technologies, plus vite nous pourrons exécuter d'importants changements », conclut M. Véran.

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