Observatoire de Paris Institut national de recherche scientifique français Univerité Pierre et Marie Curie Université Paris Diderot - Paris 7

L’instrument ELT - MICADO

vendredi 3 février 2023, par Yann Clénet

L’instrument MICADO est l’imageur de première lumière de l’ELT (Extremely Large Telescope), le tĂ©lescope gĂ©ant de 39 mètres de diamètre en cours de construction au Chili. Avec une sensibilitĂ© Ă©quivalente Ă  celle du JWST et une rĂ©solution angulaire six fois meilleure, MICADO poursuit de nombreux objectifs scientifiques, allant de l’extragalactique Ă  la planĂ©tologie. MICADO travaillera Ă  la limite de diffraction de l’ELT grâce Ă  deux modes d’optique adaptative, dont un mode "SCAO" (optique adaptative classique sur Ă©toile naturelle), dĂ©veloppĂ© au sein du consortium MICADO, sous responsabilitĂ© LESIA, et avec le concours de plusieurs laboratoires français.

Introduction

L’Observatoire EuropĂ©en Austral (European Southern Observatory, ESO) s’apprĂŞte Ă  relever l’un des plus grands dĂ©fis instrumentaux jamais imaginĂ©s : la construction de l’Extremely Large Telescope (ELT), un tĂ©lescope de 39 m de diamètre dont la mise en service est aujourd’hui prĂ©vue pour 2028. Ce tĂ©lescope gĂ©ant permettra des percĂ©es majeures dans des domaines clefs de l’astrophysique comme l’Ă©tude de la formation des premières galaxies ou la recherche de planètes extra-solaires dans la zone habitable de leur Ă©toile hĂ´te.

Vue d'artiste de l'Extremely Large Telescope
Vue d’artiste de l’Extremely Large Telescope

Crédits ESO

Le LESIA est responsable de la contribution française de l’imageur MICADO, qui sera le premier instrument de l’ELT. Avec plusieurs laboratoires français, le LESIA est ainsi chargĂ©, d’une part du dĂ©veloppement du système d’optique adaptative installĂ© dès la première lumière de l’instrument et, d’autre part, du mode d’imagerie Ă  haut contraste de MICADO.

Pour le LESIA, l’enjeu est double :

Les sections ci-dessous dĂ©taillent les objectifs scientifiques de MICADO, prĂ©sentent l’instrument, la contribution française et du LESIA et les jalons du projet.

Objectifs scientifiques de MICADO

En sa qualitĂ© d’instrument de première lumière de l’ELT, MICADO abordera un grand nombre de sujets scientifiques qui couvrent des thèmes clĂ©s de l’astrophysique moderne. Exploitant ses excellentes sensibilitĂ© et rĂ©solution spatiale, les objectifs scientifiques principaux de MICADO portent sur les thèmes suivants :

  • L’Ă©volution des galaxies via des observations de galaxies Ă  grand dĂ©calage vers le rouge ainsi que des populations stellaires dans des galaxies locales
Simulations d'observations de galaxies lointaines par MICADO
Simulations d’observations de galaxies lointaines par MICADO

Illustrations d’observations par MICADO de galaxies au-dessus et au-dessous de la sĂ©quence principale Ă  z∼2, crĂ©Ă©es avec le simulateur d’observations MICADO SimCADO.

CrĂ©dit : Consortium MICADO

  • Le centre galactique et les trous noirs supermassifs dans les noyaux de galaxies
Le Centre Galactique : observations passĂ©es avec NACO (VLT) et futures avec (...)
Le Centre Galactique : observations passĂ©es avec NACO (VLT) et futures avec MICADO (ELT)

Ă€ gauche : observation par NACO au VLT de la seconde d’angle centrale du centre galactique, montrant l’orbite de l’Ă©toile S2 autour du trou noir supermassif. Au centre : simulation de ce qui pourrait ĂŞtre vu dans la mĂŞme rĂ©gion avec MICADO. Ă€ droite : zoom sur la rĂ©gion la plus interne, oĂą des Ă©toiles sur des orbites encore plus Ă©troites pourraient ĂŞtre observĂ©es.

CrĂ©dit : Consortium MICADO

  • Les trous noirs de masse intermĂ©diaire dans les amas stellaires
Ă€ la recherche d'un trou noir massif au coeur de l'amas 47 Tucanae
Ă€ la recherche d’un trou noir massif au coeur de l’amas 47 Tucanae

Ă€ gauche : image de l’amas d’Ă©toiles 47 Tucanae avec l’indication du champ de vue de MICADO. Ă€ droite, dispersion de vitesse des Ă©toiles en fonction de la distance au centre de l’amas, montrant que les mesures actuelles sont limitĂ©es par la densitĂ© d’Ă©toiles croissante vers ce centre. MICADO obtiendra des mesures bien meilleures au centre et permettra d’y rĂ©vĂ©ler la prĂ©sence ou pas d’un trou noir massif.

CrĂ©dit : Consortium MICADO

  • La caractĂ©risation des exoplanètes et des disques circumstellaires Ă  de petites Ă©chelles angulaires
Le système HR 8799 : observations passĂ©es avec SPHERE (VLT) et observations (...)
Le système HR 8799 : observations passĂ©es avec SPHERE (VLT) et observations simulĂ©es avec MICADO (ELT)

Ă€ gauche, image obtenue avec SPHERE en 2h d’observations du système HR 8799, avec ses quatre planètes connues. Au centre, simulation d’observation MICADO du mĂŞme système rĂ©vĂ©lant les deux planètes internes en 30 s d’observations. Ă€ droite, dĂ©monstration des capacitĂ©s de dĂ©tection par MICADO d’exoplanètes artificiellement rajoutĂ©es.

CrĂ©dit : Zurlo+16 & MICADO consortium

  • Le Système solaire
Le satellite Titan de Saturne : observation passĂ©e avec la sonde Cassini et (...)
Le satellite Titan de Saturne : observation passĂ©e avec la sonde Cassini et observation simulĂ©e avec MICADO

Ă€ gauche, image composite de Titan obtenue par l’instrument VIMS de la sonde Cassini. Ă€ droite, simulation d’observations par MICADO en bande K.

CrĂ©dit : Consortium MICADO

PrĂ©sentation de l’instrument

L'instrument MICADO sur la plateforme Nasmyth de l'ELT
L’instrument MICADO sur la plateforme Nasmyth de l’ELT

Ă€ gauche, vue d’ensemble de l’ELT avec ses instruments de première lumière (MICADO, MORFEO, HARMONI, METIS) sur une des deux plateformes Nasmyth. Ă€ droite, vue rapprochĂ©e sur les instruments et plus particulièrement MICADO, encerclĂ© en rouge.

CrĂ©dit : ESO/consortium MICADO

L’imageur MICADO est dĂ©veloppĂ© par un consortium de partenaires en Allemagne, France, Autriche, Pays-Bas, Italie et Finlande, en collaboration avec l’ESO, pour un total d’environ 600 Ă©quivalents temps-plein (100 pour la contribution française) et un coĂ»t d’environ 25 millions d’euros (dont 3 pour la contribution française). Le consortium est dirigĂ© par le Max Planck Institut for Extraterrestrial Physics (MPE) et le PI de l’instrument est Ric Davies.

Travaillant dans le proche infrarouge (0,8-2,4 ÎĽm) Ă  la limite de diffraction de l’ELT, MICADO proposera quatre modes d’observation :

  • imagerie standard : avec des Ă©chelles de pixel de 1,5 et 4 millisecondes d’angle (mas), le champ de vue correspondant sera de 19 et 51 secondes d’angle carrĂ©es. Plus de 30 filtres large bande et bande Ă©troite seront disponibles ;
  • imagerie astromĂ©trique : ce mode est dimensionnant pour la conception de MICADO, avec par exemple une implĂ©mentation invariante par gravitĂ©, une conception optique Ă  miroirs fixes, un Ă©talonnage et un pipeline de donnĂ©es dĂ©diĂ© Ă  l’astromĂ©trie ;
  • imagerie Ă  haut contraste : ce mode utilisera le dĂ©tecteur central et une configuration classique de coronographes en plan focal avec masque de Lyot, un masque de phase en plan pupille de type vAPP (vector apodizing phase plate) et du masquage de pupille ;
  • spectroscopie longue fente : elle permettra de couvrir simultanĂ©ment une large gamme de longueurs d’onde (J : 1,16-1,35 ÎĽm, HK : 1,49-2,45 ÎĽm ou IzJ : 0,82-1,55 ÎĽm) Ă  une rĂ©solution de 20000 sur des sources faibles compactes ou non rĂ©solues. Trois fentes seront disponibles : 3′′×16 mas (IzJ), 15′′×20 mas (J & HK), 3′′×48 mas (IzJ & HK).
MICADO dans ses configurations successives Ă  l'ELT
MICADO dans ses configurations successives Ă  l’ELT

À gauche, MICADO dans sa configuration "stand-alone", prévalant à la première lumière. À droite, MICADO couplé à MORFEO.

CrĂ©dit : MICADO et MORFEO consortium

Pour obtenir des images Ă  la limite de diffraction du tĂ©lescope, MICADO bĂ©nĂ©ficiera d’une correction d’optique adaptative de deux types :

  • une correction de type SCAO (single conjugate adaptive optics), disponible dès la première lumière et dĂ©veloppĂ©e au sein de MICADO. Il s’agit de l’optique adaptative classique sur Ă©toile naturelle, utilisant les miroirs dĂ©formables de l’ELT
  • une correction de type MCAO (multi conjugate adaptive optics), dĂ©veloppĂ©e par le consortium MORFEO et disponible quelques annĂ©es après la première lumière de MICADO. Il s’agit d’une correction grand champ, sur Ă©toiles naturelles et lasers, utilisant les miroirs dĂ©formables de l’ELT et des miroirs dĂ©formables additionnels installĂ©s dans le module d’OA.

La contribution française et du LESIA Ă  l’instrument

La France est un contributeur majeur Ă  MICADO. Elle est prĂ©sente au sein du projet au niveau co-I. PlacĂ©e sous responsabilitĂ© LESIA, la contribution française fait intervenir aussi le GEPI, UTINAM, la Division Technique de l’INSU, le LMA et le LCF. Elle fait aussi intervenir la structure nationale EFISOFT de l’INSU.

La contribution française porte sur le dĂ©veloppement :

  • du module SCAO de l’instrument ;
  • du mode haut contraste de l’instrument.

Le module SCAO de MICADO

Les principales spĂ©cifications qui guident la conception du module d’optique adaptative de type SCAO de MICADO sont les suivantes :

  • rĂ©aliser l’analyse de front d’onde dans le visible, entre 0,589 ÎĽm et 0,96 ÎĽm, sur des sources de magnitude allant de 7 Ă  16 en bande V (avec comme but de V=-1.46 Ă  V=17) ;
  • atteindre une performance sur axe de 60% de rapport de Strehl Ă  2,2 ÎĽm dans des conditions atmosphĂ©riques mĂ©dianes Ă  30° du zĂ©nith ;
  • permettre l’observation d’objets non sidĂ©raux avec une vitesse diffĂ©rentielle entre un tel objet et la source de rĂ©fĂ©rence pouvant aller jusqu’Ă  100 arcsec/h (but : 200 arcsec/h) ;
  • ĂŞtre capable de fermer la boucle d’optique adaptative sur des objets de diamètre jusqu’Ă  1 arcsec.
La structure "Green Doughnut" du module SCAO de MICADO
La structure "Green Doughnut" du module SCAO de MICADO

Ă€ gauche : vue de la structure Green Doughnut du module SCAO avec le banc optique, ses trois pieds, ses baffles extĂ©rieurs et son couvercle en trois parties. Ă€ droite, vue de dessous de la structure Green Doughnut du module SCAO avec la lame dichroĂŻque SCAO, son support et ses rails de guidage.

CrĂ©dit : Consortium MICADO

L’opto-mĂ©canique du module SCAO de MICADO est situĂ©e dans un sous-ensemble nommĂ© "Green Doughnut" ou "NGS module", placĂ© juste au-dessus du cryostat de MICADO auquel il est fixĂ©. Il tourne donc solidairement avec lui. Le module SCAO occupe la partie supĂ©rieure du Green Doughnut, avec une enveloppe allouĂ©e d’environ 2,8 m de diamètre sur une hauteur de 350 mm et une masse allouĂ©e de 700 kg. La partie infĂ©rieure du Green Doughnut est occupĂ©e par les trois analyseurs doubles sur Ă©toile naturelle de MORFEO.

L'analyseur de surface d'onde et l'unitĂ© de calibration de la SCAO de (...)
L’analyseur de surface d’onde et l’unitĂ© de calibration de la SCAO de MICADO

L’analyseur de surface d’onde et l’unitĂ© de calibration de la SCAO, en configuration de validation des performances de la SCAO (Ă  gauche) et en configuration dĂ©ployĂ©e au tĂ©lescope (Ă  droite). Le faisceau optique bleu est celui de l’analyseur de surface d’onde tandis que le faisceau magenta est celui de l’unitĂ© de calibration.

CrĂ©dit : Consortium MICADO

Le module SCAO se compose des sous-systèmes opto-mĂ©caniques suivants :

  • l’analyseur de surface d’onde, basĂ© sur un analyseur de type pyramide et lui-mĂŞme dĂ©composĂ© en plusieurs sous-ensembles qui permettent d’assurer son bon fonctionnement : un sĂ©lecteur de champ, un correcteur d’aberrations non communes, un système de modulation, un compensateur de rotation de pupille, etc.
  • l’unitĂ© de calibration de la SCAO, avec une configuration pour la phase d’intĂ©gration et de tests permettant de valider les performances de la SCAO et une configuration dĂ©ployĂ©e, au final, sur l’instrument permettant de rĂ©aliser les Ă©talonnages indispensables Ă  la SCAO ;
  • la lame dichroĂŻque SCAO partageant le flux reçu du tĂ©lescope entre la voie d’analyse et la voie scientifique ;
  • la structure Green Doughnut rassemblant les composants mĂ©caniques supportant ces trois prĂ©cĂ©dents sous-systèmes.

La conception de la SCAO de MICADO comprend aussi :

  • l’ensemble du logiciel de contrĂ´le commande pilotant les Ă©lĂ©ments de la SCAO, basĂ© sur l’architecture dĂ©veloppĂ©e par l’ESO et mis en oeuvre au sein de la structure nationale EFISOFT pour les contributions françaises aux instruments ELT ;
  • le calculateur temps-rĂ©el permettant de calculer les commandes envoyĂ©es aux miroirs correcteurs situĂ©s dans le tĂ©lescope. Celui-ci sera basĂ© sur la plateforme COSMIC, dĂ©veloppĂ©e au LESIA en collaboration avec l’Australian National University et s’appuyant sur des accĂ©lĂ©rateurs matĂ©riels (carte GPU) et le calcul haute performance ;
  • l’Ă©lectronique de contrĂ´le.
Performances sur axe et hors axe de la SCAO de MICADO
Performances sur axe et hors axe de la SCAO de MICADO

À gauche, performance sur axe de la boucle SCAO en bande K vs. la magnitude de la source de référence, calculée pour plusieurs conditions de turbulence. À droite, performance de la boucle SCAO en bande K vs. la distance à la source de référence, calculée pour plusieurs conditions de turbulence.

CrĂ©dit : Consortium MICADO

Enfin, outre les Ă©tudes de conception proprement-dites de la SCAO, son dĂ©veloppement inclut :

  • de la R&D en optique adaptative liĂ©e aux problĂ©matiques ELT ou Ă  l’analyse de front d’onde pyramide (ex : analyse de front d’onde et commande en optique adaptative pour la pupille fragmentĂ©e de l’ELT, gestion de la prise au vent et des vibrations pour la commande de la SCAO de MICADO) ;
  • de nombreux prototypages : pilotage de module Beckhoff, analyse de front d’onde pyramide, miroir en toit, sĂ©lecteur de champ ;
  • des simulations numĂ©riques de performances de la SCAO.

Le mode haut contraste de MICADO

Les principales spĂ©cifications guidant la conception du mode haut contraste de MICADO sont les suivantes :

  • après un post-traitement appropriĂ©, les coronographes doivent atteindre les contrastes suivants : 1/10000 Ă  une sĂ©paration de 100 mas, 1/100000 Ă  une sĂ©paration de 500 mas ;
  • les coronographes en plan focal doivent avoir une attĂ©nuation du pic central en bande K plus grande que 30.
Images obtenues avec les coronographes de MICADO
Images obtenues avec les coronographes de MICADO

À gauche, images obtenues en 30 s de pose avec les trois coronographes en plan focal à travers les filtres étroits en bandes J, H et K pour un seeing de 0,7". À droite, image obtenue en 30 s de pose avec le coronographe vAPP en bande K avec un seeing de 0,7".

CrĂ©dit : Consortium MICADO

Trois modes d’observation Ă  haut contraste sont prĂ©vus :

  • coronographe en plan focal : trois masques focaux sont prĂ©vus pour optimiser la dĂ©tection des planètes et l’observation de disques Ă  diffĂ©rentes distances de l’Ă©toile et pour diffĂ©rentes conditions d’observation (cibles faibles, effets de dispersion atmosphĂ©rique, longueurs d’onde). Ces masques seront associĂ©s Ă  un diaphragme de Lyot (deux autres diaphragmes combinĂ©s Ă  une densitĂ© neutre seront utilisĂ©s pour Ă©talonner la mesure photomĂ©trique du signal de la planète ou du disque) ;
  • masque pupillaire d’apodisation de phase qui permet la dĂ©tection des planètes Ă  faible distance de l’Ă©toile. Un composant vAPP, conçu par l’UniversitĂ© de Leiden, sera intĂ©grĂ© Ă  MICADO. Ce mode est moins sensible Ă  l’erreur rĂ©siduelle de tip-tilt du système d’optique adaptative et est complĂ©mentaire des coronographes en plan focal ;
  • imagerie d’ouverture non redondante : il est prĂ©vu deux masques d’amplitude en plan pupille parsemĂ©s de trous. Ils utilisent la technique de masquage non redondant pour permettre une dĂ©tection Ă  la limite de diffraction voire en dessous. Ces masques auront un nombre et une configuration de trous diffĂ©rents, permettant ainsi d’adapter le masque suivant la cible et le type d’objet observĂ© (cible faible, recherche de compagnon ou dĂ©tection de disque, bande spectrale).
Simulations d'erreur de centrage avec le coronographe de MICADO pour (...)
Simulations d’erreur de centrage avec le coronographe de MICADO pour valider l’algorithme STARLOC

Images coronographiques obtenues Ă  2,145 ÎĽm avec l’un des coronographes en plan focal avec, de gauche Ă  droite, des erreurs de centrage croissant de 0 Ă  6 mas. Le cercle bleu figure la limite du masque coronographique (50 mas de rayon), les cercles verts externes figurent la couronne utilisĂ©e par STARLOC pour analyser le flux et estimer le dĂ©centrement de l’image, les rectangles I1, I2, I3, I4 sont les zones utilisĂ©es pour calculer les diffĂ©rences d’intensitĂ© horizontalement (I2-I1) et verticalement (I3-I4).

CrĂ©dit : Consortium MICADO

Outre la conception des masques proprement-dite, le dĂ©veloppement du mode haut contraste de MICADO comprend aussi :

  • des simulations numĂ©riques de performances de chacun des modes d’observations haut contraste, en incluant de nombreux effets tels que les rĂ©sidus de turbulence après l’optique adaptative en fonction des conditions atmosphĂ©riques, les aberrations statiques, la largeur spectrale des filtres, l’angle zĂ©nithal, les segments manquants du tĂ©lescope, la magnitude de l’étoile (dĂ©terminant le bruit de photon), bruit de dĂ©tecteur, Ă©mission thermique du tĂ©lescope et du fond de ciel etc.
  • le dĂ©veloppement d’un algorithme d’estimation des erreurs de centrage de l’étoile centrale pour les coronographes de Lyot (STARLOC).

Principaux jalons du projet

Les principaux jalons du projet sont les suivants :

  • phase A : 2008-2010
  • signature du contrat avec l’ESO : septembre 2015
  • revue de conception prĂ©liminaire : novembre 2018 (validĂ©e officiellement en janvier 2020)
  • revues de conception finale : avril 2021 Ă  fĂ©vrier 2023
  • recette prĂ©liminaire en Europe (preliminary acceptance Europe) : novembre 2027
  • commissioning de la configuration standalone (i.e. sans MORFEO) : octobre 2028 Ă  juin 2029