L'optique adaptative : effacer la turbulence de l'air
Vues du sol, les étoiles scintillent et les images des plus grands télescopes se brouillent. L'optique adaptative corrige ce flou en temps réel, grâce à des miroirs déformables et à des étoiles artificielles allumées au laser.
Un télescope de huit mètres devrait, en théorie, distinguer des détails bien plus fins que le télescope spatial Hubble, dont le miroir ne mesure que 2,4 mètres. En pratique, posé au sol, il en est empêché par l'air. Des bulles d'air de températures différentes, brassées par le vent, dévient la lumière de façon changeante : c'est la turbulence atmosphérique, celle qui fait scintiller les étoiles. Sans correction, l'image d'une étoile prise par un grand télescope reste une tache floue d'environ une seconde d'arc. L'optique adaptative permet de s'approcher de la netteté que le télescope aurait dans le vide.
Ce que la turbulence fait à la lumière
La lumière d'une étoile très lointaine arrive sous la forme d'ondes planes : le front d'onde, l'ensemble des points où l'onde est dans le même état, est une surface parfaitement plate. En traversant l'atmosphère, certaines portions de ce front prennent du retard, d'autres de l'avance, et il se gondole. Le télescope ne forme plus une image nette, mais une tache qui danse et s'étale.
La limite théorique de finesse d'un télescope de diamètre D, à la longueur d'onde \lambda, est fixée par la diffraction :
\theta \approx 1{,}22\,\frac{\lambda}{D}
Pour un télescope de 8 à 10 mètres observant dans l'infrarouge proche, cela représente quelques centièmes de seconde d'arc. Avec l'optique adaptative, ces instruments atteignent une résolution de 30 à 60 millisecondes d'arc, contre environ une seconde d'arc sans correction.
L'idée a été proposée dès 1953 par l'astronome américain Horace Babcock. Les premiers développements sont venus des militaires américains pendant la guerre froide, qui voulaient observer des satellites. Le principe tient en trois étapes.
Un analyseur de front d'onde mesure d'abord la déformation de la lumière d'une étoile de référence. Le plus répandu, l'analyseur de Shack-Hartmann, découpe le faisceau en une grille de petites lentilles : chacune forme un point lumineux dont le déplacement indique l'inclinaison locale du front d'onde. La mesure est renouvelée toutes les quelques millisecondes. Un calculateur en déduit ensuite la correction à appliquer. Enfin, un miroir déformable, dont la surface est poussée et tirée par des actionneurs, prend la forme inverse de la déformation, et le front d'onde ressort plat.
Les chiffres donnent le vertige. Le miroir déformable du système GRAAL, au Very Large Telescope (VLT) de l'Observatoire européen austral (ESO), au Chili, mesure 1,1 mètre et change de forme jusqu'à 1 000 fois par seconde. Celui du futur Extremely Large Telescope (ELT), dont le miroir principal de 39 mètres sera formé de 798 segments, s'appelle M4 : 2,4 mètres de diamètre, six pétales de verre de 1,95 millimètre d'épaisseur, plus de 5 000 actionneurs, et des corrections jusqu'à 1 000 fois par seconde, à quelques dizaines de nanomètres près.
Des étoiles artificielles au laser
Encore faut-il une étoile de référence assez brillante près de la cible, ce qui est rare. La solution consiste à en fabriquer une. Un laser accordé sur une couleur bien précise excite les atomes de sodium d'une fine couche de la haute atmosphère, vers 90 kilomètres d'altitude, qui se mettent à briller : c'est l'étoile laser, dont l'analyseur mesure la déformation comme celle d'un astre réel.
En avril 2016, l'ESO a mis en service sur l'Unité 4 du VLT quatre lasers de 22 watts chacun, alors les étoiles laser les plus puissantes jamais utilisées en astronomie. Elles alimentent les systèmes d'optique adaptative de deux instruments, MUSE et HAWK-I. L'ELT pourra utiliser jusqu'à huit de ces lasers. Grâce à ces techniques, l'ESO a pu observer directement des planètes autour d'autres étoiles et mesurer précisément le trou noir au centre de la Voie lactée.
Et sur Terre ?
L'œil humain souffre d'un défaut comparable : ses imperfections optiques brouillent l'image de la rétine que l'on veut observer. L'optique adaptative a permis, pour la première fois, de photographier un à un les cônes, ces cellules qui perçoivent la couleur, dans l'œil d'une personne vivante. Des caméras rétiniennes de ce type existent déjà, mais restent coûteuses ; les composants développés pour les télescopes pourraient en abaisser le prix (voir la marche G-SGT-11).
Les communications optiques entre le sol et l'espace se heurtent au même obstacle : un faisceau laser qui monte vers un satellite est déformé par la turbulence avant même de quitter l'atmosphère. L'optique adaptative peut le corriger d'avance, ce qui ouvre la voie à des liaisons montantes à très haut débit et au transport d'énergie par laser (voir la marche B-LGT-11).
L'étape suivante est l'optique adaptative extrême, capable d'atténuer l'éclat d'une étoile au point de révéler une planète semblable à la Terre juste à côté. Pour l'ELT, en construction au Chili, ce sera l'un des grands défis des prochaines années, et Alpha du Centaure figure parmi les cibles les plus attendues.