LESIA - Observatoire de Paris

Optique adaptative

mercredi 8 février 2012, par Eric Gendron

On ne pourrait maintenant plus imaginer de construire un grand télescope sans associer à son instrumentation une optique adaptative : en restaurant une qualité d’image quasiment parfaite, l’optique adaptative centuple les performances du télescope. Depuis 1986 où il a mené une activité de pionnier pour le développement du premier système d’optique adaptative aux côtés de l’ONERA et de l’ESO, l’Observatoire de Paris n’a cessé de s’investir un peu plus dans ce développement instrumental fondamental pour la haute résolution angulaire.

Problématique, explications et historique de l’optique adaptative au LESIA

La lune vue par NAOS (VLT)

L’histoire de l’optique adaptative au LESIA est une longue histoire, elle a débuté en 1986. Ce lien vous emmènera vers les explications sur l’optique adaptative, vers son historique au Lesia, et vers la panoplie d’instruments qui y ont été développés entre 1986 et 2005.

Lien vers l’historique et les explications sur l’optique adaptative

Les thèmes de recherche du LESIA en optique adaptative

Le LESIA développe particulièrement les thèmes instrumentaux suivants :

VIDEO - Tomographie

animation 3D

  • tomographie : il s’agit de développer l’art et la manière de construire un reconstructeur tomographique le plus précis possible, à partir des informations sur la structure atmosphérique turbulente disponibles via l’instrument, ou via les données disponibles sur le site. Ce reconstructeur tomographique est un opérateur qui permet de reconstituer les perturbations de phase en trois dimensions au-dessus du télescope, à partir des informations intégrées mesurées par les différents analyseurs de surface d’onde de l’instrument.
  • boucle ouverte : il s’agit de tester des miroirs déformables et d’établir des protocoles de calibration et des modèles de fonctionnement permettant une représentation fidèle du comportement du miroir en fonction de la tension appliquée. Le but est de permettre le contrôle de ces miroirs en boucle ouverte en vue de la MOAO (Multi-Object Adaptive Optics).
  • étoile laser : l’analyse de front d’onde sur étoile laser sodium est remplie d’écueils en raison de la très forte élongation du spot sur le Shack-Hartmann avec un ELT, du profil incertain et variable de la couche de sodium.
  • analyseurs novateurs : c’est une voie alternative et complémentaire à l’étoile laser (laquelle pose, par ailleurs, son lot de problèmes techniques). Au lieu de faire confiance à une source artificielle laser pour permettre l’analyse de front d’onde, l’idée ici est de développer des senseurs encore plus performants pour faire l’analyse sur des étoiles naturelles encore plus faibles.
  • GPU (Graphic Processing Unit) : Les thèmes de recherche précédents nécessitent des simulations numériques, qui consomment une place mémoire et un temps de calcul considérables : pour les futurs systèmes d’optique adaptative de l’E-ELT (futur télescope géant Européen) on arrive vite en limite des possibilités des machines actuelles. Aussi, c’est tout naturellement qu’on peut penser à utiliser les ressources des GPU pour effectuer les calculs lourds mais parallélisables. Les GPUs sont des processeurs graphiques multi-coeurs permettant un haut degré de parallélisation des calculs. Il s’agit de développer les librairies pour GPU permettant de simplifier le codage des simulations d’OA par un langage de haut niveau. Les GPU peuvent effectuer des opérations particulières, telles que les calculs matriciels ou les transformées de Fourier, avec une vitesse de l’ordre de 1000 fois supérieure au CPU.
  • Reconstruction de PSF et analyse d’image : L’acquisition d’une image sur un détecteur n’est pas le dernier point de la chaîne de l’information : il reste à traiter cette image, et un traitement poussé demande à connaître sa réponse impulsionnelle (c’est à dire quelle est l’image exacte d’un point-source) appelée PSF (pour point spread function). La nouvelle problématique est que dans les systèmes tomographiques à grand champ vont délivrer une PSF plus complexe, et possiblement variable dans le champ. Il est donc important de pouvoir prédire la PSF à partir des conditions d’observation de l’instrument. C’est l’objet de la reconstruction de PSF.

Les projets actuels du LESIA en optique adaptative

L’activité en optique adaptative est motivée en grande partie par le développement du télescope géant européen E-ELT, notamment pour les projets suivants :

YAW-ADONF

YAW est un projet de recherche & développement. YAW est un analyseur de front d’onde novateur, inventé à l’Observatoire de Paris. Comme le Shack-Hartmann il mesure la dérivée spatiale du front d’onde. Ses avantages sont une parfaite linéarité dans une gamme donnée, et l’utilisation d’un très faible nombre de pixels et d’un grand nombre de points de mesure. Pour l’instant seule une version monochromatique a été développée, la version polychromatique est en cours.

EAGLE

EAGLE est un spectrographe multi-objet infra-rouge à intégrales de champ avec optique adaptative (MOAO) pour l’E-ELT, destiné à l’observation des galaxies primordiales. Il a été proposé par un consortium franço-anglais dès 2007 à l’ESO. Les résultats de l’étude de phase A ont été rendus à l’ESO fin 2010. Cet instrument, extrêment complexe et novateur, avait besoin d’un démonstrateur ciel, afin de convaincre la communauté de la faisabilité du projet. Ce démonstrateur a pour nom CANARY.

Dans un futur proche il est vraissemblable que le concept de EAGLE fusionne avec d’autres concepts de MOS (multi-object spectrographs) proposés pour l’E-ELT sans optique adaptative. Le regroupement de ces concepts pourrait déboucher sur un MOS hybride, avec et sans optique adaptative qui portera probablement un autre nom, mais dans lequel les études menées pour EAGLE seront ré-investies.

CANARY

CANARY est le démonstrateur ciel de EAGLE, installé sur le télescope WHT aux Canaries. CANARY a décroché une première mondiale (communiqué de presse et publication du STFC) en obtenant sur le ciel en Septembre et Novembre 2010 des résultats qui démontrent la faisabilité de la MOAO.

Pour en savoir plus : une page web a été dédiée à CANARY, qui est un des projets importants du groupe Haute Résolution Angulaire au LESIA.

ESO Messenger 140, p18-19

ATLAS

ATLAS est un module d’optique adaptative de type LTAO (tomographie basée sur une analyse de front d’onde sur étoile laser) pour l’E-ELT. Il est pensé essentiellement pour alimenter l’instrument HARMONI avec une qualité d’image excellente sur un champ relativement petit.

Le LESIA est impliqué dans les simulations numériques pour l’analyse de front d’onde sur étoile laser.

ESO Messenger 140, p 32-33

MICADO et module SCAO

Analyseur SCAO Micado

MICADO

MICADO est un instrument imageur infra-rouge proche pour l’E-ELT (en savoir plus, site du MPE) qui vient derrière le module de MCAO appelé MAORY, et qui est équipé d’un module de SCAO qui serait opérationnel dès les premières phases de l’instrument, en attendant le module MAORY, plus critique en raison de sa complexité et de son appui sur les étoiles laser. Le LESIA est responsable de ce module SCAO, qui utilise le miroir déformable baptisé M4 qui se trouve à l’intérieur de télescope même. Le LESIA a réalisé les études de simulations numériques et les études de performances pour dimensionner la SCAO, ainsi que les pré-études mécaniques pour l’implantation de ce module.

GPU

L’émergence des Graphic Processing Units (GPUs) et de leur architecture bien spécifique les a rendus extrêmement attractifs pour les simulations numériques de grands systèmes. La taille des simulations numériques d’un système d’optique adaptative croît comme le carré du diamètre du télescope, et comme le nombre d’analyseurs. L’addition d’une représentation tomographique (3D) grand champ augmente encore cette taille. L’addition d’étoiles laser à la simulation peut multiplier l’ensemble par un facteur 2 à 10. En conséquence, le passage d’un système classique sur un télescope de 8 mètres (déjà consommateur de ressources), à des systèmes à 10 analyseurs sur un 40 mètres en mode tomographique avec étoiles laser représente un bond de plus d’un facteur 10000 en puissance de calcul.

Heureusement ces calculs peuvent, en grande partie, être parallélisés. L’architecture massivement parallèle des GPU convient idéalement à ce genre de tâche. Le LESIA a développé un code de simulation sur GPU, et les premiers résultats montrent des vitesses de l’ordre de plusieurs milliers d’itérations par seconde sur un seul GPU pour un système tel que SPHERE, en incluant la simulation de la turbulence.

Le LESIA développe donc des outils permettant le codage simplifié de simulations numériques complexes sur GPU grâce à des bibliothèques pour des langages de haut niveau.

OEIL

Le programme OEIL concerne l’observation de la rétine humaine in vivo à haute résolution spatiale (en savoir plus).

SPHERE

SPHERE est un instrument de seconde génération pour le VLT, dont l’objectif principal est l’imagerie directe de planètes extrasolaires.(en savoir plus, site du Lesia sur Sphere). Le LESIA a diverses responsabilités, qui s’étendent au-delà de l’optique adaptative :

  • du coronographe achromatique à 4 quadrants
  • d’un senseur de front d’onde IR qui permet d’asservir la position de l’étoile sur le coronographe
  • des miroirs tip tilt
  • des tests du calculateur temps réel pour l’optique adaptative
  • des tests d’intégration de l’optique adaptative en salle blanche du LESIA

GRAVITY

GRAVITY (en savoir plus sur le projet) est le nom d’un instrument interférométrique de seconde génération pour le VLTI, dont la motivation principale est l’observation du trou noir supermassif nommé Sagittarius A* (ou Sgr A*), qui se trouve au centre de notre galaxie, la Voie Lactée. GRAVITY est conçu pour être capable de sonder l’espace–temps jusqu’à la frontière du trou noir, en observant les orbites relativistes des étoiles proches (en savoir plus sur la science). Le LESIA a plusieurs responsabilités et implications dans GRAVITY. On peut citer

  • science : définition des objectifs scientifiques
  • suiveur de franges : modélisation des performances, logiciel temps réel
  • optique adaptative : études et simulations numériques, logiciel temps réel (avec MPIA)
  • recombinateur de faisceaux : contrôleur des fibres optiques
  • logiciel de réduction des données (avec MPE).