GRAVITY : un design complexe

Un Instrument de recombinaison à quatre télescopes

GRAVITY sera installé dans le laboratoire du VLTI, c’est à dire du mode interférométrique du Very Large Telesope au Chili. Cet observatoire comprend quatre grand télescope de 8,2m de diamètre (les Unit Telescopes, UT) et quatre petits télescopes de 1.8m (les Auxiliary Telescopes, AT). GRAVITY fonctionnera toujours en recombinant la lumière de quatre télescopes : soit les quatre UT, soit les quatre AT. La lumière collectée au foyer de chaque télescope est transportée jusqu’au laboratoire grâce à un jeux de miroirs (16 au total jusqu’à l’entrée du laboratoire).

Chaque télescope délivre deux faisceaux qui couvrent chacun un champ de 2" (deux secondes d’angle). L’un des deux contient l’objet scientifique et, le cas échéant, la référence de phase (voir "Suiveur de franges" ci-dessous). Le second faisceau peut être utilisé pour sélectionner une étoile de référence pour le senseur de front d’onde infrarouge du système d’optique adaptative (voir ci-dessous).

Optique adaptative

Tout d’abord, l’image de la source scientifique doit être stabilisée en entrée de l’instrument. C’est le rôle du système d’optique adaptative. Les UT du VLTI sont déjà équipés de senseurs de front d’onde travaillant dans le domaine optique et de miroirs déformables. Ces senseurs ne sont pas suffisants pour observer des sources très obscurcies par de la poussière interstellaire. C’est le cas du Centre Galactique, des noyaux actifs de galaxies, et des systèmes protostellaires entre autres. C’est pourquoi GRAVITY complète le système d’optique adaptative déjà existant par l’adjonction de senseurs (un par télescope) fonctionnant dans l’infrarouge, et permettant de voir à travers cette poussière interstellaire.

Ces senseurs sont de type Shack—Hartmann avec 9×9 sous-pupilles et utilisent la lumière en bandes H (1,6 µm de longueur d’onde) et K (2,2 µm). Le calculateur temps réel utilise la plateforme ESO SPARTA light.

Suiveur de franges

Le système d’optique adaptative corrige une grande partie des effets dus à la turbulence atmosphérique. Mais le senseur de front d’onde est insensible à un effet de la turbulence atmosphérique qui est important pour un instrument interférométrique : il s’agit du terme de piston, qui consiste en une différence de marche variable. Les variations de ce piston atmosphérique font se déplacer les franges interférentielles sur le détecteur ce qui a pour effet de les diluer et de diminuer leur contraste si le temps de pose est trop élevé. Par conséquent, il est nécessaire de disposer d’un objet suffisamment brillant (magnitude <10 en bande K), afin qu’un les franges soient détectables en un temps suffisamment court.

Un cas particulier est celui où l’objet d’intérêt scientifique n’est pas lui-même suffisamment brillant, mais est situé à proximité (<2") d’une étoile qui elle est de magnitude <10. Dans ce cas, on peut détecter les franges dues à cette étoile de référence et les stabiliser sur le détecteur au moyen d’une boucle de rétroaction agissant sur une ligne à retard. La lumière en provenance de la source scientifique est alors injectée parallèlement dans une seconde fibre optique et également corrigée du piston atmosphérique, mesuré sur la source de référence. Ainsi, on peut augmenter le temps de pose sur la source scientifique sans dégrader le contraste des franges, et détecter celles-ci même sur une source relativement faible (magnitude 16 en bande K).

Disposer d’un suiveur de franges a également un second avantage qui est très important et utilisé par les cas scientifiques de GRAVITY : cela permet de mesurer de façon très précise la distance entre la source de référence et la source scientifique.

Recombinateur de faisceaux

Le cœur de l’instrument est le recombinateur de faisceaux. Celui-ci accepte en entrée les faisceaux en provenance des quatre télescopes et opère simultanément la recombinaison des six paires possibles en quatre points d’une frange (donc 24 sorties en parallèle). Pour cet élément clef, GRAVITY utilise une optique intégrée en raison de son encombrement minimal et de son excellente stabilité.

Métrologie

La métrologie est fondée sur un concept novateur spécialement développé pour GRAVITY. Elle trace l’ensemble du train optique de l’instrument au miroir secondaire des télescopes, réduisant les erreurs au minimum. Les lasers métrologiques font des franges d’interférence qui sont diffusées par la poussière présente sur les miroirs secondaires et qui sont mesurées par des caméras infrarouges fixées sur les montures des télescopes. Un prototype a été testé avec succès sur le VLT en mai 2007.

Spectromètre

Il s’agit d’un instrument classique avec trois résolutions spectrales possibles sur la voie scientifique (R=22, 500 ou 4000) et une résolution fixe (R=22) sur la voie du suiveur de franges. Il inclut des fonctions d’analyse polarimétrique basiques.

Caméra d’acquisition

Des caméras fournissent des images du champ de vue et du plan pupille pour chaque télescope afin de suivre une dérive lente de leur position.