L’optique adaptative de l'Onera au cœur de la chasse aux exoplanètes

Le nouvel instrument européen SPHERE, installé sur le Very Large Telescope de l’ESO au Chili, vient de livrer des premières images d’une précision inégalée. Le cœur du système : une optique adaptative révolutionnaire conçue par l’ONERA, un des leaders mondiaux du domaine.

03 juin 2014

Le module d’optique adaptative Saxo (Sphere AO for exoplanet observation) situé au cœur de l’instrument Sphere , a été conçu spécialement pour l’observation directe des exoplanètes. Ce module a pour fonction de corriger avec une précision inégalée les défauts introduits par la turbulence atmosphérique, par le télescope lui-même ou par les optiques des modules scientifiques de détection. Cette correction se fait en déformant un miroir à un niveau nanométrique (au millionième de millimètre près), plus de 1200 fois par seconde.

Crédit photo : ESO/SPHERE consortium
Première image de détection avec l’instrument Sphere.
Après occultation de l’étoile (au centre) et traitement, le compagnon - une naine blanche - est clairement visible, avec un contraste de 10.7 en magnitude. A gauche : image brute (de Sphere) ; à droite image après traitement.

Grâce à cette optique adaptative extrême, Sphere a permis d’atteindre des résolutions spatiales inégalées à ce jour sur un télescope monolithique au sol et ouvre la voie à des découvertes astronomiques majeures. Pour faire une analogie, on pourrait observer depuis Paris la flamme d’une bougie à 50 cm d’un phare situé à Marseille. Il positionne ainsi SPHERE à la pointe de la recherche en astronomie avec une gamme de performances comparable à celle que l’on obtiendrait sur un observatoire spatial (hors atmosphère terrestre).

Au-delà de cette prouesse scientifique et technologique, l’ONERA a aussi significativement contribué au développement des techniques de traitement d’images intégrées à l’instrument. En se basant sur plus de 15 ans d’expertise dans le domaine, les algorithmes développés par les chercheurs de l’ONERA permettront d’améliorer encore les images obtenues par Sphere et d’utiliser pleinement le moindre photon détecté.

Les développements de l’optique adaptative, initialement motivés par les besoins astronomiques, trouvent aujourd’hui des débouchés dans de nombreux domaines : imagerie médicale, chirurgie ophtalmique, lasers de puissance, télécommunications optiques à très haut débit, surveillance et identification de menaces…

Voir aussi :

Crédit photo : Julien Girard / Jean-Luc Beuzit
Sphere (à droite) accolé à Melipal, le troisième télescope de 8m du VLT

Saxo, le système d’optique adaptative situé à l’intérieur de Sphere , utilise un miroir déformable par 1377 actionneurs (sur un diamètre de près de 20 cm) et des miroirs de basculement pour stabiliser très finement l’axe optique (avec une précision supérieure à 2 millièmes de seconde d’arc, soit un déplacement de 1 cm vu d’une distance de 1000 km).
Les capteurs permettant de mesurer les déformations, rapidement et avec une très grande sensibilité, sont à l’état de l’art mondial dans le domaine (240x240 pixels lus à plus de 1300Hz avec un bruit de lecture quasi nul). Au-delà de sa performance exceptionnelle, une des caractéristiques essentielles de Saxo est de pouvoir s’auto-optimiser et s’auto-étalonner et donc de pouvoir être utilisé par des non-experts.

Crédit photo : ESO/SPHERE consortium
Premières images corrigées en bande H (longueur d’onde infrarouge 1,6 µm).
On note sur ces 2 images prises à 20 minutes d’intervalle :
- la qualité de la correction : à la limite de diffraction, en présence de turbulence, le gain apporté par l’optique adaptative en terme de résolution est supérieur à 20
- la stabilité dans le temps : un ingrédient fondamental pour le traitement d’image et le gage d’une performance finale de l’instrument dépassant les spécifications initiales

Crédit photo ESO/SPHERE consortium
Images prises à des longueurs d’onde de 0.85 et 0.65 microns. Malgré ces petites longueurs d’onde d’imagerie, on distingue les anneaux d’Airy, qui signalent la meilleure image possible du point observé par le système. La résolution angulaire de ces données (autour de 25 milli-secondes d’arc) est la meilleure jamais obtenue au VLT.

Crédit photo : ESO/SPHERE consortium
- à gauche : Titan observé par Sphere (en bande H)
- au milieu : image Sphere améliorée par l’algorithme Mistral développé à l’ONERA - c’est la meilleure image de Titan jamais obtenue depuis le sol
- à droite, image de synthèse reconstituée à partir des données de la sonde Cassini (voir http://space.jpl.nasa.gov/)

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