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| LE NOUVEL INSTRUMENT MATISSE A ENREGISTRÉ SA PREMIÈRE LUMIÈRE STELLAIRE DÉBUT 2018. PHOTO ESO / MATISSE CONSORTIUM |
Le nouvel instrument en cours d’installation au Very Large Telescope, au Chili étudiera les conditions de formation des systèmes planétaires.Camille Lavoix (Désert d’Atacama (Chili), envoyée spéciale)
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Ce nouvel instrument français, abréviation de « Multi AperTure mid-Infrared SpectroScopic Experiment », fruit de dix ans de travail entre plusieurs instituts européens, va décupler les potentialités du VLT. Bruno Lopez, astronome à l’Observatoire de Nice et responsable scientifique de Matisse, espère qu’il permettra de comprendre comment se forment les planètes : « La question de l’origine du système solaire est ancienne : elle fascinait Descartes, Kant, Laplace. Nous espérons pouvoir y répondre ».
Pour saisir comment fonctionnera Matisse, il faut suivre Nicolas Schuhler, ingénieur français qui arpente les tunnels sous la montagne depuis dix ans. Talkie-walkie à la main, il est l’un des garants du chemin de la lumière. Après avoir traversé le cosmos, les photons provenant des étoiles entrent dans les quatre télescopes unitaires, dotés d’un miroir principal mesurant 8,2 mètres de diamètre. Au pied de chacun, cette lumière est concentrée en un faisceau de 80 millimètres, dans un petit tunnel en béton et passe au sous-sol. Elle entre alors dans le tunnel principal parcouru par 120 mètres de rails sur lesquels coulissent des chariots.
« Personne n’entre ici normalement car la température doit être ultra-stable », prévient Nicolas Schuhler, en enfilant les surchaussures de protection. Ce chemin de fer est aligné tous les jours à un dixième de cheveu près pour que tout soit parfaitement droit, un exercice de précision extrême. Le but ? « Il faut que le parcours de la lumière depuis chacun des télescopes soit égal à quelques nanomètres près », explique l’ingénieur. Pour cela, six chariots pourvus de miroirs avancent ou reculent pour corriger les différences de distance entre les télescopes.
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Ainsi, les quatre faisceaux arrivent parfaitement synchronisés sur Matisse, qui attend au bout du tunnel, pour les mélanger. C’est de l’interférométrie, « une spécialité française », qui puise ses origines au XIXe siècle avec Hippolyte Fizeau (1819-1896) et Edouard Stephan (1837-1923). Une expertise poussée toujours plus loin par l’astronome Antoine Labeyrie, 75 ans, qui a recombiné pour la première fois la lumière de deux télescopes indépendants. Et par Matisse, aujourd’hui, interféromètre optique héritier d’une longue histoire et amenant sa part d’innovation.
L’interférométrie permet de transcender les limites de taille auxquelles sont soumis les astronomes pour la construction de miroirs. En 2006, les scientifiques avaient rêvé de bâtir OWL (« hibou » en anglais), l’acronyme d’Overwhelmingly Large Telescope, un miroir de 100 mètres de diamètre. Les limites technologiques et budgétaires ont fait revoir le projet à la baisse. Aujourd’hui, l’Extremely Large Telescope (ELT) est en construction non loin du VLT, avec le plus gros miroir au monde, 39 mètres de diamètre. Mais grâce à Matisse, c’est un miroir virtuel de 150 à 200 mètres de diamètre qui peut être utilisé.
Les plus fins détails d’objets éloignés
Lorsque Matisse ou tout autre interféromètre entre en activité, le VLT passe en mode VLT-I, pour interférométrie, qui mélange les lumières de plusieurs télescopes pour en faire naître un géant sans les inconvénients des grands miroirs. « Plus c’est grand, plus il faut corriger les déformations dues à l’atmosphère », rappelle Nicolas Schuhler. Cela permet d’observer les plus fins détails d’objets éloignés car cela augmente la résolution – mais pas la quantité de lumière, c’est pourquoi le VLT-I et l’ELT seront complémentaires.
En rasant les murs, où passe tout juste une personne sans altérer les rails, l’ingénieur arrive au bout du tunnel, dans le laboratoire de recombinaison. Matisse y trône, en remplacement de Midi, l’instrument d’interférométrie de première génération, qui pouvait mélanger la lumière de deux télescopes. Il s’écoule de dix à quinze ans entre les « générations » d’instruments. Installé à côté de Matisse, Gravity est arrivé il y a deux ans de l’Observatoire de Paris (Meudon) après Pionier, fabriqué à Grenoble. Dans cette salle, 150 mètres en dessous des télescopes, ces trois interféromètres de deuxième génération, qui couvrent chacun une partie du spectre lumineux dans l’infrarouge, devraient amener une moisson de découvertes scientifiques pour les quinze prochaines années.
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| LES TÉLESCOPES UNITAIRES (UT) DU VERY LARGE TELESCOPE (VLT), DANS LE DÉSERT D’ATACAMA, AU CHILI. CETTE PHOTO A ÉTÉ PRISE PAR L'AMBASSADEUR PHOTO ESO SERGE BRUNIER |
Cette capacité à combiner la lumière de quatre télescopes au lieu de deux constitue « un gros changement », s’enthousiasme Nicolas Schuhler, qui se dit « excité ». Après une thèse à Strasbourg, il a fait toute sa carrière à l’ESO, où il travaille depuis quinze ans. C’est presque le temps de gestation de Matisse. « En 2005, l’ESO a demandé à ce que les scientifiques européens proposent des instruments pour le VLT. Treize ans après, ils sont sur la montagne. »
L’observatoire a beau être à 12 kilomètres à vol d’oiseau du Pacifique, il est en fait complètement isolé, à deux heures de la première grande ville. Le seul lieu de vie en dehors des télescopes, c’est la Residencia. L’hôtel des astronomes est mondialement connu depuis le tournage de Quantum of Solace, où Daniel Craig endossait le costume de James Bond. On y voit le dôme caractéristique du toit de la Residencia, presque entièrement enterré, afin d’éviter la pollution lumineuse. Au quotidien, ce sont les scientifiques de quinze pays du Vieux Continent qui se relaient dans un ballet parfaitement orchestré, qui fait du VLT l’observatoire au sol le plus productif – en moyenne, un article scientifique publié chaque jour.
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| LA VOIE LACTÉE APPARAIT AU CENTRE DE L’OBJECTIF HYPERGONE. PHOTO . ESO / Y. BELETSKY |
Quant à Nicolas Schuhler, une fois qu’il s’est assuré que la lumière arrive bien jusqu’à Matisse et aux instruments, il peut aller se coucher, et les astronomes prennent le relais. « La plupart du temps, ça marche tout seul. Le système est indisponible pour cause de panne moins de 4 % du temps, donc je peux dormir la nuit sauf gros pépin », confie-t-il. Une fois acheminée jusqu’à Matisse, la lumière est focalisée sur deux détecteurs infrarouges. Elle est ensuite transformée en données numériques qui sont stockées aux archives de l’ESO, en Allemagne, et s’affiche en temps réel sur les ordinateurs de la salle de contrôle où s’activent les astronomes.
Un chasseur de planètes nommé Espresso
Fruit de dix ans de travail à l’université de Genève, le spectrographe Espresso (Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanets and Stable Spectroscopic Observation) est désormais installé dans les montagnes chiliennes. A partir du 1er octobre, il sera disponible pour que les astronomes du Very Large Telescope (VLT) l’utilisent et détectent des planètes similaires à la Terre. Espresso est actuellement en phase de test, entre les mains de l’astronome Jorge Lillo-Box qui aime demander « Combien d’étoiles y a-t-il dans l’Univers ? » La réponse ? « Un 6 suivi de 22 zéros. Chacune a, au moins, une planète qui gravite autour d’elle. Je pense que c’est impossible qu’il n’y ait pas de vie sur l’une de ces planètes », enchaîne le scientifique qui cherche activement les planètes et les extraterrestres qui iraient avec. Espresso observera les oscillations des étoiles provoquées par l’interaction gravitationnelle avec ses planètes afin de détecter celles-ci et d’en mesurer la masse. Il utilise la méthode dite des vitesses radiales, complémentaire de celle dite des transits, où c’est la variation de la luminosité de l’étoile au passage devant elle d’exoplanètes qui est analysée – une technique employée par le satellite TESS de la NASA, mis en orbite en avril. Les astronomes chercheront ensuite à connaître la taille de la planète, grâce à d’autres outils présents à l’Observatoire. In fine, l’objectif est de connaître le type de la planète, si elle est rocheuse et, surtout, si elle a de l’eau et donc potentiellement de la vie.
Parmi eux, on trouve parfois Bruno Lopez, l’astronome à la tête du projet Matisse, qui intéresse aussi ses collègues de la NASA. Son équipe de l’Observatoire de Nice se trouve actuellement à Paranal, pour une période de « commissioning » comme on appelle les tests avant le lancement d’un instrument. Elle réalisera d’autres essais en juillet et en septembre, puis Matisse sera mis à la disposition de la communauté scientifique internationale en mars 2019.
Les tests et l’intégration de l’instrument à l’environnement très complexe du VLT durent donc au total un peu plus d’un an. Les bouteilles de champagne débouchées le 18 février en salle de contrôle attestent de la « naissance » sans accroc de Matisse, le jour de la première lumière reçue. Depuis, les commissionings se passent « super bien », d’après Bruno Lopez et Nicolas Schuhler. La collaboration en amont entre les équipes du VLT et celles du consortium de Matisse (qui regroupe des partenaires institutionnels allemands et hollandais) a été cruciale.
Que font donc les astronomes avec la lumière transformée en données par Matisse ? Qu’espèrent-ils en tirer ? L’idée est de comprendre comment s’est formé le Système solaire. On sait comment se forme une étoile, mais pas (avec précision) les planètes. Quand les étoiles se forment, un résidu de poussières et de gaz se maintient autour d’elles – on parle de disque proto-planétaire (du grec proto, qui signifie « avant »). Cette matière va aussi servir à fabriquer un cortège de planètes.
« Il y a plus de trois siècles déjà, Descartes, Kant et Laplace avaient imaginé, à l’origine du Système solaire, un disque de matière autour du Soleil, un phénomène d’accrétion qu’on a commencé à observer dans les années 1980 autour de jeunes étoiles », explique Bruno Lopez. Les astronomes disposent de modèles théoriques mais ce sera la première fois qu’ils pourront observer précisément comment se forme une planète, puis si elle ressemble à la Terre et s’il y a de la vie, bien que la question de l’habitabilité reste très complexe. Les découvertes devraient aller assez vite, espèrent-ils, car les hypothèses sont déjà très ciblées.
« Ce qui va être unique au monde, c’est qu’on va voir à l’échelle de l’unité astronomique, soit la définition même de la distance Terre-Soleil », se félicite Bruno Lopez. Les astronomes ont déterminé que, au sein des disques proto-planétaires, les planètes « terrestres » se fabriquent près de l’étoile. Les grains de poussière y sont composés de minéraux à l’origine de nos roches alors que, plus loin de l’étoile, ils contiennent des glaces. La distance de l’étoile crée une hiérarchie des planètes comme dans le Système solaire où Jupiter et Saturne, loin du Soleil, sont gazeuses, alors que la Terre, Vénus, Mars et Mercure, plus proches, sont rocheuses.
Attention, cependant, il ne s’agit pas de voir une planète directement, prévient Bruno Lopez : « Cela reste un défi que relèveront de futurs instruments », comme l’ELT. « Les télescopes actuels ne permettent pas de restituer l’image d’une planète comme la Terre, trop ténue en termes de brillance. » La planète à proximité de son étoile est comme une luciole à côté d’un phare maritime. Avec Matisse, on va donc plutôt observer la matière à l’origine de la planète.
Il s’agira de permettre aux astronomes de créer une image en une semaine environ. Il faudra faire plusieurs mesures avec plusieurs configurations de télescopes pour la reconstruire. Pour illustrer le processus, Bruno Lopez le compare à l’imagerie médicale, le scanner ou l’IRM : « Il faut rester un moment immobile car la machine fait des observations sous différents angles, après on reconstruit une image tridimensionnelle de notre corps. C’est la même logique en astronomie. On doit accumuler des données avec différentes configurations de télescopes pour restituer l’équivalent d’une pupille synthétique, d’un miroir virtuel et reconstruire des images. » Les configurations des télescopes changent car la Terre tourne. Pour compenser sa rotation, eux-mêmes tournent dans un mouvement d’horlogerie en suivant le mouvement des étoiles.
« Etoile artificielle »
Tout ce travail est dématérialisé, virtualisé, pour les astronomes qui en bénéficient. Cyrielle Opitom, spécialiste belge des comètes, explique qu’elle en vient à oublier que c’est elle, derrière son ordinateur, qui, cette nuit-là, dirige les énormes télescopes installés à l’extérieur. « On a une collision », s’interrompt-elle, bien réveillée malgré l’heure avancée de la nuit. Assis derrière un autre écran d’ordinateur, Benjamin Clément, astronome de l’Observatoire de Lyon, lève un sourcil. « Ce n’est pas grave, le laser croise juste le champ de vue du télescope et on aurait pu contaminer les observations de quelqu’un d’autre », explique-t-elle.
Benjamin Clément est venu passer quelques jours au VLT car il travaille sur Muse, un autre instrument français, qui utilise justement son système laser, un autre atout des télescopes du VLT. Il suffit de gravir l’escalier de la salle de contrôle pour émerger, dans l’obscurité complète, sur la plate-forme, aux côtés des quatre télescopes géants. Pour compléter leur vision démesurée, quatre faisceaux laser sont pointés vers le ciel.
« Ils excitent une certaine partie de l’atmosphère, et produisent une étoile artificielle [à plus de 70 km d’altitude] que le télescope observe. En fonction des perturbations observées sur cette fausse étoile, on déforme le miroir du télescope de manière à corriger les perturbations atmosphériques », chuchote Benjamin Clément, comme pour ne pas déranger les étoiles. « Le laser stabilise, corrige le tout. Ce qui était mauvais devient bon et ce qui était bon devient très bon. Ça fait environ six mois qu’on dispose de cet outil », précise le chercheur. Grâce à cette innovation et à toutes les avancées permanentes du VLT, Matisse demandera aux astronomes seulement trois nuits d’observation derrière leur écran pour reconstruire une image.
La menace de la pollution lumineuse
D’ici à 2020, on estime que le nord du Chili concentrera 70 % de l’infrastructure astronomique mondiale. Problème : les villes se sont développées en même temps que les télescopes et la pollution lumineuse est une menace croissante. Claudio Melo est le représentant de l’Observatoire européen austral (ESO) au Chili. Il dialogue avec le gouvernement chilien pour limiter la pollution lumineuse, qui pour l’instant « n’affecte pas le VLT, situé à plus de 100 kilomètres d’Antofagasta (400 000 habitants), mais pose problème à La Silla, plus proche de la ville ». La route 5, qui passe à proximité de La Silla, a été équipée de lumières qui gênent les astronomes. « La pollution lumineuse affecte aussi notre santé, le sommeil, la migration des animaux et le développement de l’astrotourisme », souligne Claudio Melo, qui considère le ciel comme une « ressource naturelle ». Malgré la menace, il se veut optimiste : « Il existe un Bureau de protection de la qualité du ciel du nord du Chili, l’OPCC, et nous avons de bonnes réglementations. Le défi, c’est de les faire appliquer. »
Après cinq ans sur le mont Paranal, l’ingénieur français Laurent Pallanca continue de s’émerveiller quand il prépare le télescope pour la nuit. Ce soir-là, il était sur Antu, l’unit telescope numéro un, qui a reçu sa première lumière le 25 mai 1998. « Tous les soirs, on ouvre », lance-t-il en actionnant un joystick depuis sa cabine. Le toit d’Antu se dérobe alors, le télescope s’incline pour se positionner dos au soleil. Selon le rituel, toutes les lumières sont éteintes, et seule la lumière du coucher du soleil entre dans l’immeuble-télescope en train de sortir de sa coquille. « Ça reste toujours impressionnant de voir ces tonnes se déplacer sans bruit grâce au système hydraulique. » Laurent aussi attend la mise en service de Matisse, dont il participe à l’intégration. « Nos clients finaux, ce sont les astronomes, on prépare tout pour eux. »
Nicolas, son collègue ingénieur expert sur l’interféromètre, préfère conclure, lui, sur la magie des rares dysfonctionnements du VLT. « Quand j’étais gamin, j’imaginais mon œil collé à l’oculaire dans la nuit, c’était romantique. Hélas, l’astronomie, ce n’est plus Tintin, maintenant on analyse sur écran. Mais il y a deux mois, j’ai vécu quelque chose d’extraordinaire en allant réparer un télescope auxiliaire, raconte-t-il. Depuis l’intérieur, on a vu des dizaines d’étoiles flotter devant nous. On ne les voyait pas dans le miroir principal directement, mais par réflexion, comme si elles flottaient à 20 centimètres de nos yeux, comme si on pouvait les toucher dans l’air. On s’est rappelé pourquoi on faisait ce métier, pourquoi on est à 2 600 mètres, si près du Pacifique mais si loin de tout, dans le désert. » Matisse devrait, ils l’espèrent tous, continuer de faire briller les étoiles dans leurs yeux.
