La plus grande caméra astronomique jamais construite bientôt installée sur son télescope
Sciences et technologies

La plus grande caméra astronomique jamais construite bientôt installée sur son télescope

En avril 2015, nous avons eu l’opportunité d’interviewer Pierre Antilogus, responsable scientifique de la collaboration LSST-France et chercheur au CNRS, qui nous a présenté le projet de l’observatoire Vera C. Rubin, anciennement nommé Large Synoptic Survey Telescope et sa caméra (LSST-caméra, Legacy Survey Space and Time) alors décrite comme la plus puissante caméra numériquenumérique jamais construite. Aujourd’hui, tout juste assemblée, LSST-caméra se prépare à quitter le SLAC National Accelerator Laboratory aux États-Unis pour rejoindre l’Observatoire Vera C. Rubin au Chili, où elle sera installée plus tard cette année. Les premières images sont attendues au printemps 2025.

La plus grande caméra astronomique jamais construite

Neuf ans plus tard, nous avons à nouveau eu l’occasion d’interviewer Pierre Antilogus concernant cette caméra, classée par le Guinness des records comme étant la plus grande au monde avec ses 3,2 milliards de pixelspixels.

Une des pièces maîtresses de la caméra fournie par le CNRS

Plusieurs équipes du CNRS ont joué un rôle crucial dans la réalisation de cette caméra en contribuant à l’élaboration du plan focal ainsi qu’à la conception et à la constructionconstruction du changeur de filtres robotisé. Ce système représente une prouesse technologique remarquable : robuste et environ 15 fois plus rapide que les technologies actuelles, il permettra de capturer chaque image du ciel avec des filtres optiques différents en un temps minimal. En analysant la quantité de lumière émise par les objets célestes et en comparant les images obtenues à travers les différents filtres, il sera possible de déterminer avec précision la position et la distance de ces objets par rapport à la Terre.

En parallèle, d’autres scientifiques du CNRS contribuent au développement de l’infrastructure informatique qui permettra de traiter quantitativement et qualitativement la somme colossale d’images des quelque 17 milliards d’étoiles et 20 milliards de galaxies observables qui seront collectées. Un véritable travail de fourmifourmi visant à constituer le catalogue de données sur l’Univers le plus complet possible.

Un fonctionnement quotidien pendant 10 ans

Pendant les dix prochaines années, la caméra du LSST observera le ciel austral quotidiennement, à raison de 800 clichés par nuit, couvrant chacun une surface équivalente à 40 fois celle de la LuneLune. Ses deux objectifs : étudier et cartographier en 3D l’Univers observable dit « statique », mais aussi surveiller les phénomènes célestes dits « transitoires ».

Les données acquises par cette caméra seront utiles à tout un tas de disciplines de l’astronomie et l’astrophysiqueastrophysique. Mais, elles visent avant tout à mieux comprendre l’énergie sombre, identifiée comme le moteur de l’expansion accélérée de l’Universexpansion accélérée de l’Univers et à mener des recherches approfondies sur la matière noirematière noire, deux substances mystérieuses qui constituent plus de 95 % du cosmoscosmos.

Le télescope géant LSST va traquer matière et énergie noires

La parole à Pierre Antilogus, responsable scientifique de la collaboration LSST-France et chercheur au CNRS.

Futura : Actuellement, quelle est la caméra la plus grande en service ?

Pierre Antilogus : La caméra Hyper Suprime Cam installée sur le télescopetélescope Subaru de 8,4 mètres au Chili. En service depuis 2014, cette caméra réalise des images de 900 millions de pixels pour un champ de vue de 1,5 degré.

Futura : Pourquoi a-t-il fallu deux décennies pour son développement ?

Pierre Antilogus : LSST-caméra s’inscrit dans un programme de trois éléments qui comprend le télescope et un plan d’observation sur 10 ans. À proprement parler il ne nous a pas fallu 20 ans pour réaliser cette caméra. Il s’agit d’un projet qui a nécessité 10 années d’étude et de démarches pour réaliser son design et sécuriser son financement dont le coût total, construction et 10 ans d’exploitation comprise, est estimé à un milliard de dollars. L’ensemble sera pleinement opérationnel au printemps 2025. C’est un instrument d’une génération, d’une carrière professionnelle entre sa conception, sa réalisation, sa mise en service et l’exploitation de ses données.

Futura : Quels ont été les défis majeurs à surmonter ? Avez-vous des exemples de percées technologiques qui ont marqué une rupture ?

Pierre Antilogus : Parmi les exemples de développement auxquels nous avons participé et qui ont été un challenge, on peut souligner la lecture du plan focal de la caméra du LSST avec ces 3,2 milliards de pixels en deux secondes (> 50 Gbit/s de débitdébit pendant la lecture). Ce résultat a été rendu possible par une lecture en parallèle inégalée des 201 CCDCCD du plan focal à travers les 3 200 canaux de lecture du plan focal.

Futura : C’est un ordre de grandeur supérieur à ce qui a été fait jusqu’à aujourd’hui ?

Pierre Antilogus : Oui. La réalisation de cette caméra a impliqué de nombreuses études et le développement de composants électroniques spécifiques, tels que des capteurscapteurs de lumière conçus spécifiquement pour cette applicationapplication par deux entreprises : e2v au Royaume-Uni et ITL/STA aux États-Unis. Le choix de deux entreprises s’explique par le fait qu’une seule entreprise ne pouvait pas produire suffisamment rapidement les 201 détecteurs nécessaires.

Futura : La réalisation du chargeur de filtre robotisé a également été compliquée ?

Pierre Antilogus : oui, aussi. Ce chargeur permettra de changer automatiquement 5 à 15 fois par nuit les cinq filtres de couleurscouleurs dont est dotée la LSST-caméra, pesant entre 24 et 38 kilos chacun. Les changer et les positionner à mieux que 100 micronsmicrons en moins de 90 secondes est une prouesse technologique. À titre de comparaison, il faut 30 minutes pour changer les filtres plus petits de la caméra Hyper Suprime Cam du télescope Subaru.

Futura : Quelles capacités aura-t-elle que des télescopes comme JWST ou Hubble n’ont pas ?

Pierre Antilogus : Ce sont des configurations d’observation très différentes. Les trois mots-clés de l’observatoire Vera C. Rubin (VRO) : faire une observation de l’ensemble du ciel visible, rapidement et à grande profondeur. Concrètement le télescope spatial Hubble, mais surtout le télescope spatial James-Webb peuvent voir très profondément. Le JWSTJWST peut observer des objets très lointains, dont les premières galaxies, au-delà d’un décalage à très grand décalage dans le rouge, dont la lumière infrarougeinfrarouge est arrêtée par l’atmosphèreatmosphère terrestre. Ces objets ne sont donc pas visibles depuis le sol pour la caméra du LSST. Ainsi, si le JWST peut « voir » des premiers objets présents il y a plus de 13 milliards d’années, le VRO ira jusqu’à un redshiftredshift ~3, ce qui nous amène tout de même légèrement au-delà de 11 milliards d’années quand l’Univers était encore dans son enfance.

Cependant, la principale activité du survey LSST du VRO consiste à observer l’intégralité du contenu de l’Univers depuis une période lointaine jusqu’à aujourd’hui. Cela serait impossible avec le télescope spatial Hubbletélescope spatial Hubble, qui a un champ de vision limité et nécessite beaucoup de temps pour cibler les objets (des contraintes que partage également le JWST) : en une seule nuit d’observation, le VRO peut balayer environ 8 000 degrés, soit environ 20 % de l’ensemble de la sphère céleste, soit l’équivalent du ciel visible depuis un point donné sur Terre à un instant précis. Pour réaliser cette même tâche, il faudrait environ 140 ans au télescope Hubble.

Futura : Euclid doit également créer une carte 3D de l’Univers. Ce satellite et cette caméra seront-ils en compétition, complémentaires ou différents ?

Pierre Antilogus : Comme beaucoup de programmes scientifiques, Euclid et le survey LSST sont à la fois en compétition et complémentaires. Les deux ont pour objectif d’affiner notre compréhension de l’énergie noireénergie noire et de la matière noire. Les deux ont pour objectifs principaux la mesure de la distorsion de la forme des galaxies lointaines par la distribution de massemasse le long du trajet de leurs photonsphotons jusqu’à nous.

Mais l’analogieanalogie s’arrête là. Le VRO devrait couvrir une surface du ciel un peu plus grande (~ +20 %). VRO et EuclidEuclid ont des objectifs que l’autre n’a pas. Les deux ont des avantages et des inconvénients, ce qui les rend très complémentaires : ce sont des choix instrumentaux très différents qui ont des « problèmes » différents… À ce titre, ils sont complémentaires.

Euclid est un petit miroirmiroir dans l’espace, avec un échantillonnageéchantillonnage faible des images (effet de pixélisation), de sorte qu’il ne va observer le ciel qu’une fois dans un filtre donné et avec une profondeur moindre que l’observatoire Vera C. Rubin. Bien qu’il ne soit pas perturbé par l’atmosphère, Euclid va devoir faire un suivi délicat de la stabilité de l’instrument afin de s’assurer que l’ensemble des mesures est cohérent.

À contrario, l’observatoire Vera C. Rubin avec son grand miroir et un très bon échantillonnage va pouvoir revenir 800 fois sur les mêmes zones du ciel. Certes, VRO sera perturbé par l’atmosphère qui est variable, et qui va diluer le signal de cosmologiecosmologie (forme des galaxies), mais en revenant très souvent sur la même zone du ciel il va pouvoir s’assurer d’optimiser la précision et l’uniformité de la mesure. De plus, en étant plus profond VRO va voir des zones plus externes et moins brillantes des galaxies et en pratique ne va pas baser ses mesures de forme des galaxies sur les mêmes « zones » des galaxies que Euclid.

Futura : les deux projets ont-ils prévu d’échanger des données ?

Pierre Antilogus : Oui, c’est déjà prévu. Euclid a besoin des informations de couleurs des galaxies et celles-ci lui seront fournies pour l’hémisphère Sudhémisphère Sud par VRO. Il n’est pas exclu non plus qu’après une exploitation indépendante de leurs données respectives, une approche commune utilisant leur complémentarité soit considérée. Je parle là d’un futur lointain, au-delà de 10 ans. C’est deux survey sont un héritage sur le long terme pour l’humanité. Ils vont donner une image très complète de notre Univers.

Futura : Dans son communiqué, le CNRS a listé les principaux objectifs scientifiques du LSST. Quels sont ceux les plus attendus par la communauté scientifique ?

Pierre Antilogus : VRO est un survey avec plusieurs objectifs scientifiques. Dans le domaine de la cosmologie, il réalisera une cartographie du ciel profond (magnitudemagnitude de 27), en six couleurs et en trois dimensions car la couleur des galaxies est reliée à leur distance. Cela permettra de voir l’évolution de l’Univers de son enfance jusqu’à aujourd’hui et donc d’apporter des contraintes fortes sur son contenu et ses propriétés, en particulier l’énergie noire et la matière noire qui correspondent à plus de 95 % de son contenu, et dont on sait très peu de choses.

Concernant notre Galaxie, avec sa sensibilité, l’observatoire Vera C. Rubin va permettre de voir un nombre inégalé d’étoilesétoiles de notre Galaxie et en les observant pendant 10 ans il complètera notre compréhension de la dynamique et l’histoire de la Voie lactéeVoie lactée.

Des avancées sont aussi attendues dans notre Système solaireSystème solaire. VRO va pouvoir observer un nombre inégalé d’astéroïdesastéroïdes, ce qui renseignera sur la formation du Système solaire et son histoire. L’observatoire Vera C. Rubin et sa caméra seront capables de détecter l’ensemble des astéroïdes passant près de la Terre d’une taille de 140 mètres ou plus et pouvant représenter une menace pour la Terre (géocroiseursgéocroiseurs).

Futura : Des observations ambitieuses sont-elles prévues ?

Pierre Antilogus : L’observatoire Vera C. Rubin, avec la caméra LSST, est le seul instrument à avoir vraiment une chance de trouver la contrepartie « optique » aux détections d’ondes gravitationnellesondes gravitationnelles. Cela ouvrira un nouveau domaine de l’astronomie. J’ajouterais aussi qu’il est l’outil idéal pour observer les confins du Système solaire de sorte que s’il y a une neuvième planète, ce qui semble être une réponse aux observations récentes des comportements des objets les plus lointains dans notre Système solaire, VRO est le seul à avoir une chance de l’observer.

S’il y a une neuvième planète, VRO est le seul à avoir une chance de l’observer

Autre domaine de recherche, l’Univers variable. VRO va réaliser un film de l’Univers pendant 10 ans ! Concrètement, l’observatoire va réaliser une cartographie quasi complète de l’Univers et ce en revenant environ tous les trois jours sur un même point dans le ciel. Dit autrement, un film sur 10 ans de l’ensemble de l’Univers visible depuis le Chili. Ce sera un film inédit des phénomènes astrophysiques violents, ce qui va ouvrir une nouvelle fenêtrefenêtre sur des phénomènes astrophysiques très riches et dont on ignore encore beaucoup de choses.

 

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