VLT – SPHERE

La détection directe d’exoplanètes est l’un des enjeux les plus importants de l’instrumentation astronomique moderne. Elle nécessite une imagerie à haute résolution spatiale permettant d’observer des objets à très grands contrastes (une planète telle que la Terre est au moins un milliard de fois moins lumineuse que son étoile).

L’instrument SPHERE (SpectroPolarimetric High contrast ExoplanetResearch), dédié à la détection directe des planètes autour d’autres étoiles, a été installé début 2014 au Very Large Telescope de l’European Southern Observatory (ESO) au Chili au foyer d’un des quatre télescopes de 8.20 m.

La détection directe d’exoplanètes requiert la combinaison d’un ensemble de techniques à la pointe de la recherche en astronomie observationelle. L’optique adaptative, installée dans l’instrument au foyer du télescope, permet de corriger les aberrations optiques générées par la turbulence atmosphérique et d’obtenir des images à la résolution ultime du télescope. Aujourd’hui des systèmes d’optique adaptative dite « extrême » sont installés sur les plus grands télescopes du monde.

L’instrument SPHERE inclut bien sûr une optique adaptative extrême mais également des optiques très spéciales pour la coronographie stellaire qui atténue la lumière de l’étoile centrale.

SPHERE a été réalisé au sein d’un consortium international piloté par l’Institut de Planétologie et Astrophysique de Grenoble (CNRS/Université Joseph Fourier) à l’Observatoire des Sciences de l’Univers de Grenoble et rassemblant côté français :

– Le Laboratoire d’Astrophysique de Marseille-LAM (CNRS/AMU) à l’Observatoire des sciences de l’Univers Pythéas
– Le Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique-LESIA (Observatoire de Paris/CNRS/UPMC/Université Paris Diderot)
– Le Laboratoire Lagrange (CNRS/Observatoire de la Côte d’Azur/Université de Nice Sophia-Antipolis)
– L’ Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales (ONERA)

Au niveau européen : l’Institut Max Planck d’astronomie à Heidelberg, l’Observatoire de Genève, l’Institut National Italien d’Astrophysique (INAF) coordonné par l’Observatoire astronomique de Padoue, l’Institut d’Astronomie de l’ETH Zurich, l’Institut astronomique de l’Université d’Amsterdam et NOVA (Pays-Bas), la fédération des instituts d’Astronomie des Pays-Bas (NOVA) et l’institut néerlandais de radioastronomie ASTRON (Pays-Bas) et l’ESO.
Ci-dessous, une séquence vidéo du dé-assemblage de SPHERE à Grenoble avant la mise en caisse pour le Chili.

Les scientifiques spécialisé(e)s dans la recherche et l’étude des exoplanètes et la formation de système planétaires ont participé au développement de l’instrument depuis la définition des objectifs scientifiques jusque la vérification des performances sur le ciel.
Les équipes techniques du LAM ont été responsables des Etudes et Suivi de l’Ingénierie système de SPHERE, de l’Assurance Produit et l’Assurance Qualité ainsi que de la Documentation de SPHERE.
Le sous-système IRDIS, instrument scientifique de spectro-imagerie (voir ci-dessous) a été entièrement développé sous la responsabilité technique et managériale du LAM. Il a été principalement conçu, fabriqué, assemblé, intégré et vérifié par les ingénieurs et techniciens des services Optique, Mécanique et Essais du LAM.
L’équipe spécialisée en R&D en optique active du LAM, assistée des services techniques, a développé les optiques toriques de SPHERE (voir ci-dessous)
L’équipe de R&D détecteur du LAM a développé en partenariat avec l’IPAG les détecteurs ultra-rapides qui équipent l’analyseur de surface d’onde de SPHERE
Le Centre CeSAM du LAM a développé les outils informatiques pour les bases de données des cibles scientifiques qui seront observées.
Enfin, nos équipes ont été particulièrement sollicitées dans les phases d’assemblage, d’intégration et de vérification à l’IPAG à Grenoble puis, sur site, à l’Observatoire ESO Paranal du Chili.

Toutes ces contributions représentent des milliers d’heures de travail pour les chercheurs, ingénieurs et techniciens du Laboratoire. Ce travail a été effectué pendant toute la durée du projet en très proche collaboration avec des équipes scientifiques et techniques d’autres laboratoires de recherche en France et en Europe.

Les équipes scientifiques du LAM sont impliqué depuis les phases de conception de l’instrument dans la préparation de son exploitation sur le ciel, grâce notamment à un travail de simulation des performances qui a permis de définir précisément ses objectifs scientifiques. Ces équipes préparent également activement le grand programme d’observation dans le proche infrarouge qui s’étendra durant 200 nuits à partir de janvier 2015 pour rechercher de nouvelles planètes autour des étoiles jeunes proches du Soleil. Le LAM est co-responsable de la direction scientifique de ce programme, en coordonnants le travail de caractérisation des planètes détectées et en développant la base de données des observations.

Les études d’ingénierie système pour tout l’instrument SPHERE ont été conduites sous la responsabilité du LAM.
Cela représente environ 10 ans de travail depuis la conception jusqu’au suivi des intégrations et la validation des sous-systèmes, le suivi et la vérification des performances, d’abord en Europe puis au Chili.
Les ingénieurs du LAM ont aussi mis en place des Plans Assurance Produit et Assurance Qualité qui permettent un développement de projet dans les règles de l’art : plan AP/AQ, suivi et traitement des anomalies et non-conformités, gestion de la configuration, plan et suivi de la propreté lors des intégrations, etc.

IRDIS, est le module d’imagerie et de spectroscopie principal de SPHERE. Il a été entièrement développé au LAM et permet de réaliser des observations différentielles (spectrales, polarimétriques et angulaires) : à l’aide de filtres l’instrument observe certains paramètres physiques dans des domaines de longueur d’onde où l’étoile et les planètes présentent des propriétés physiques différentes, ce qui permet de mieux différentier la planète de son étoile. IRDIS pousse ce concept dans ses retranchements en offrant une qualité optique sans précédent pour un instrument de genre. Il offre également la possibilité d’obtenir les spectres des planètes détectées grâce à un mode d’observation dédié.

Les photos ci-dessous illustrent les activités d’intégration d’IRDIS réalisée au LAM.

Vidéo de l’intégration complète d’IRDIS au LAM

Les optiques toriques de SPHERE sont uniques : conçues et faites-à-façon au LAM, elles corrigent les aberrations statiques du miroir déformable de SPHERE et donnent une qualité sans précédent au banc optique principal de l’instrument.

Le développement de ces miroirs et leur fabrication par la méthode de polissage sous contrainte est une spécialité de recherche du laboratoire et de l’équipe GRD.