Conférence

Le système d'optique adaptative NAOS

Perspectives

Objet observé

Image non corrigée

Image corrigée par l'OA

Après NAOS, la course à la très haute résolution

Sur la base des connaissances acquises dans le domaine des instruments, la plupart des observatoires dans le monde conduisent des projets d'optique adaptative et développent de nouveaux systèmes, dans le but d'accroître la taille de l'image sur laquelle on peut effectuer une correction et d'améliorer encore la résolution finale.

• Augmenter la performance de l'optique adaptative pour la détection directe de planètes extrasolaires

  La détection directe de planètes extra-solaires est un enjeu majeur de l'astrophysique. L'observation directe de photons venant de planètes orbitant autour d'une autre étoile que le soleil devrait permettre d'obtenir des informations précises sur les masses et les diamètres de ces objets et surtout de caractériser la composition chimique de leurs atmosphères. On pourra alors mieux comprendre les processus de formation et d'évolution des systèmes planétaires.

  Cette détection directe suppose un instrument à très haut contraste permettant de discriminer les quelques photons provenant de la planète de ceux (bien plus nombreux) provenant de son étoile. On va pour cela utiliser un coronographe à haute perfomance (pour éliminer la majeure partie du signal provenant de l'étoile) couplé avec des techniques d'imagerie sophistiquées.

  Pour atteindre le contraste requis, la turbulence et les défauts de l'instrument lui-même doivent être corrigés avec une précision jusque-là inégalée. Cela nécessite un système d'optique adaptativeà très haute performance (bien plus précis et plus rapide que les systèmes existant actuellement). Il s'agira alors de mesurer et corriger les effets de la turbulence (avec un miroir à plus de 1377 points de correction) plus de 1200 fois par secondes.

  Si ce type de systèmes appartenait encore au domaine du rêve il y a quelques années, les développements récents de l'optique adaptative (dont NAOS est un des plus beaux exemples) permettent aujourd'hui d'envisager la réalisation d'un système de détection directe d'exo-planètes sur les télescope de la classe des 8-10 mètres de diamètre à échéance de 4 à 5 ans.

  Dans ce contexte, l'Onera participe (en collaboration avec les observatoires de Grenoble, Marseille, Paris, Nice, Genève et l'Astronomical Technical Center de Grande-Bretagne) à une étude de faisabilité pour l'European Southern Observatory (ESO). Si elle se révèle concluante, cette étude devrait conduire, d'ici mi-2005, à la réalisation d'un instrument qui pourrait recueillir ses premiers photons avant la fin de la décennie.

• Accroître le champ observé grâce à la multiconjugaison

  Si l'optique adaptative apparaît aujourd'hui comme la solution éprouvée pour s'affranchir des effets néfastes de l'atmosphère, elle a toutefois encore une limite : le champ observé, pour lequel les corrections d'image sont possibles, est de très petite taille, typiquement quelques secondes d'arc.

  L'explication est simple : lorsque qu'avec un télescope, on observe une large zone de l'espace, les rayons lumineux issus des deux limites extrêmes du champ observé proviennent de directions différentes. Pour aboutir à l'instrument, chacun emprunte donc son propre trajet et traverse un empilement spécifique de couches atmosphériques. Tous les rayons ne sont donc pas soumis aux mêmes perturbations. Dès lors, un unique miroir déformable ne peut plus suffire et s'adapter pour corriger simultanément, en temps réel, les défauts générés dans les différents secteurs de l'image. Ainsi, l'optique adaptative classique corrige bien, mais seulement au voisinage immédiat d'une seule direction d'observation.

  Pour surmonter cette limitation, l'ONERA étudie aujourd'hui des systèmes futurs plus complexes, comprenant plusieurs miroirs déformables et analyseurs de surface d'onde. Les performances attendues de cette nouvelle technique, la multiconjugaison : décupler la taille du champ observé, au prix d'un investissement raisonnable en matériel (par exemple, deux miroirs et trois analyseurs de surface d'onde).

• Augmenter la résolution des instruments avec l'interférométrie

  La résolution théorique d'un télescope, c'est-à-dire la taille du plus petit détail qu'il pourrait distinguer dans l'image en absence de toute perturbation atmosphérique, dépend de la taille de son miroir. Plus la taille du miroir augmente, plus le télescope permet de voir des détails fins. Ainsi, pour continuer d'augmenter les performances des instruments d'observation, il suffirait en théorie de les construire toujours plus gros. Mais voilà, actuellement, on ne sait pas faire un miroir de plus de 10 m de diamètre. Et cela est déjà un véritable challenge car les défauts résiduels d'un miroir de 8 m du VLT sont, toutes proportions gardées, équivalents à des bosses de 1 mm qui existeraient à la surface d'un miroir recouvrant la France entière !

  Pour s'affranchir de cette limite technologique, les chercheurs ont alors imaginé de combiner plusieurs télescopes et de les faire fonctionner en mode interférométrique : on peut synthétiser un instrument fictif de diamètre supérieur en recombinant les faisceaux issus de plusieurs télescopes. Et ainsi, en monochromatique, la résolution n'est plus liée irrémédiablement à la taille du miroir mais devient essentiellement dépendante de la distance qui sépare les télescopes ! Certains grands télescopes en cours de construction prévoient un mode de recombinaison interférométrique après correction de chaque télescope par optique adaptative. C'est par exemple le cas du VLTI (VLT Interférométrique) auquel participe l'ONERA.

Au delà de l'astronomie, vers un spectre plus varié d'applications de l'optique adaptative

Après de remarquables réussites en astronomie, l'optique adaptative conquiert aujourd'hui d'autres domaines. C'est une technique qui s'avère très prometteuse, vis-à-vis des applications nouvelles qui apparaissent.

• Contrôler la focalisation des faisceaux laser

  En rendant possible la focalisation très précise de faisceaux laser, l'optique adaptative voit s'ouvrir un large champ d'applications potentielles, dont voici quelques exemples :

• Savoir focaliser très précisément un laser sur une cible, en compensant la turbulence atmosphérique, est un point de passage obligé pour l'utilisation de lasers de grande énergie, à des fins militaires.

• Mettre au point des procédés industriels nouveaux de soudage ou de découpe par laser. Applicables en premier lieu à la métallurgie, certains de ces procédés pourrait même profiter à des secteurs d'activité très divers.

• Trouver une alternative aux essais nucléaires est capital pour l'étude de certains phénomènes de physique fondamentale. Aujourd'hui envisagée à cette fin, la fusion thermonucléaire au moyen d'un laser de très forte puissance (dit laser mégajoule), requiert la meilleure focalisation possible des rayons, afin que le rendement soit élevé. Un système d'optique active doit donc compenser les défauts le long du trajet optique.

• L'imagerie en milieu turbulent ou turbide, de l'astrophysique à la médecine

  En ophtalmologie, l'observation du fond de l'oeil pose des problèmes voisins de ceux qu'affronte l'astronome qui observe les étoiles. Il s'agit d'observer de très petits détails à travers un milieu peu propice. En corrigeant les aberrations optiques de l'oeil dues à la traversée du cristallin et du corps vitré, l'optique adaptative doit permettre d'observer la rétine avec une très haute résolution. Des progrès très attendus en matière de diagnostic médical, car aujourd'hui la résolution avec laquelle on sait observer le fond de l'oeil ne permet de détecter certaines pathologies, qu'à un stade déjà très avancé, donc difficilement guérissable. A la clef donc, l'augmentation considérable des chances de guérison des patients atteints de pathologies rétiniennes, tout en diminuant le coût des soins pour la société.

Mis à jour le 25 mai 2004 - © ONERA 2009 - Crédits et conditions d'utilisation