vendredi 3 février 2023, par Yann Clénet
L’instrument MICADO est l’imageur de première lumière de l’ELT (Extremely Large Telescope), le télescope géant de 39 mètres de diamètre en cours de construction au Chili. Avec une sensibilité équivalente à celle du JWST et une résolution angulaire six fois meilleure, MICADO poursuit de nombreux objectifs scientifiques, allant de l’extragalactique à la planétologie. MICADO travaillera à la limite de diffraction de l’ELT grâce à deux modes d’optique adaptative, dont un mode "SCAO" (optique adaptative classique sur étoile naturelle), développé au sein du consortium MICADO, sous responsabilité LESIA, et avec le concours de plusieurs laboratoires français.
L’Observatoire Européen Austral (European Southern Observatory, ESO) s’apprête à relever l’un des plus grands défis instrumentaux jamais imaginés : la construction de l’Extremely Large Telescope (ELT), un télescope de 39 m de diamètre dont la mise en service est aujourd’hui prévue pour 2028. Ce télescope géant permettra des percées majeures dans des domaines clefs de l’astrophysique comme l’étude de la formation des premières galaxies ou la recherche de planètes extra-solaires dans la zone habitable de leur étoile hôte.
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 chargé, d’une part du développement du système d’optique adaptative installé dès la première lumière de l’instrument et, d’autre part, du mode d’imagerie à haut contraste de MICADO.
Pour le LESIA, l’enjeu est double :
Les sections ci-dessous détaillent les objectifs scientifiques de MICADO, présentent l’instrument, la contribution française et du LESIA et les jalons du projet.
En sa qualité d’instrument de première lumière de l’ELT, MICADO abordera un grand nombre de sujets scientifiques qui couvrent des thèmes clés de l’astrophysique moderne. Exploitant ses excellentes sensibilité et résolution spatiale, les objectifs scientifiques principaux de MICADO portent sur les thèmes suivants :
Illustrations d’observations par MICADO de galaxies au-dessus et au-dessous de la séquence principale à z∼2, créées avec le simulateur d’observations MICADO SimCADO.
Crédit : Consortium MICADO
À gauche : observation par NACO au VLT de la seconde d’angle centrale du centre galactique, montrant l’orbite de l’étoile S2 autour du trou noir supermassif. Au centre : simulation de ce qui pourrait être vu dans la même région avec MICADO. À droite : zoom sur la région la plus interne, où des étoiles sur des orbites encore plus étroites pourraient être observées.
Crédit : Consortium MICADO
À gauche : image de l’amas d’étoiles 47 Tucanae avec l’indication du champ de vue de MICADO. À droite, dispersion de vitesse des étoiles en fonction de la distance au centre de l’amas, montrant que les mesures actuelles sont limitées par la densité d’étoiles croissante vers ce centre. MICADO obtiendra des mesures bien meilleures au centre et permettra d’y révéler la présence ou pas d’un trou noir massif.
Crédit : Consortium MICADO
À 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 même système révélant les deux planètes internes en 30 s d’observations. À droite, démonstration des capacités de détection par MICADO d’exoplanètes artificiellement rajoutées.
Crédit : Zurlo+16 & MICADO consortium
À gauche, image composite de Titan obtenue par l’instrument VIMS de la sonde Cassini. À droite, simulation d’observations par MICADO en bande K.
Crédit : Consortium MICADO
À gauche, vue d’ensemble de l’ELT avec ses instruments de première lumière (MICADO, MORFEO, HARMONI, METIS) sur une des deux plateformes Nasmyth. À droite, vue rapprochée sur les instruments et plus particulièrement MICADO, encerclé en rouge.
Crédit : ESO/consortium MICADO
L’imageur MICADO est développé 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 équivalents temps-plein (100 pour la contribution française) et un coût d’environ 25 millions d’euros (dont 3 pour la contribution française). Le consortium est dirigé 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 μm) à la limite de diffraction de l’ELT, MICADO proposera quatre modes d’observation :
À gauche, MICADO dans sa configuration "stand-alone", prévalant à la première lumière. À droite, MICADO couplé à MORFEO.
Crédit : MICADO et MORFEO consortium
Pour obtenir des images à la limite de diffraction du télescope, MICADO bénéficiera d’une correction d’optique adaptative de deux types :
La France est un contributeur majeur à MICADO. Elle est présente au sein du projet au niveau co-I. Placée sous responsabilité 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 développement :
Les principales spécifications qui guident la conception du module d’optique adaptative de type SCAO de MICADO sont les suivantes :
À gauche : vue de la structure Green Doughnut du module SCAO avec le banc optique, ses trois pieds, ses baffles extérieurs et son couvercle en trois parties. À droite, vue de dessous de la structure Green Doughnut du module SCAO avec la lame dichroïque SCAO, son support et ses rails de guidage.
Crédit : Consortium MICADO
L’opto-mécanique du module SCAO de MICADO est située dans un sous-ensemble nommé "Green Doughnut" ou "NGS module", placé juste au-dessus du cryostat de MICADO auquel il est fixé. Il tourne donc solidairement avec lui. Le module SCAO occupe la partie supérieure du Green Doughnut, avec une enveloppe allouée d’environ 2,8 m de diamètre sur une hauteur de 350 mm et une masse allouée de 700 kg. La partie inférieure du Green Doughnut est occupée par les trois analyseurs doubles sur étoile naturelle de MORFEO.
L’analyseur de surface d’onde et l’unité de calibration de la SCAO, en configuration de validation des performances de la SCAO (à gauche) et en configuration déployée au télescope (à droite). Le faisceau optique bleu est celui de l’analyseur de surface d’onde tandis que le faisceau magenta est celui de l’unité de calibration.
Crédit : Consortium MICADO
Le module SCAO se compose des sous-systèmes opto-mécaniques suivants :
La conception de la SCAO de MICADO comprend aussi :
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.
Crédit : Consortium MICADO
Enfin, outre les études de conception proprement-dites de la SCAO, son développement inclut :
Les principales spécifications guidant la conception du mode haut contraste de MICADO sont les suivantes :
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".
Crédit : Consortium MICADO
Trois modes d’observation à haut contraste sont prévus :
Images coronographiques obtenues à 2,145 μm avec l’un des coronographes en plan focal avec, de gauche à droite, des erreurs de centrage croissant de 0 à 6 mas. Le cercle bleu figure la limite du masque coronographique (50 mas de rayon), les cercles verts externes figurent la couronne utilisée par STARLOC pour analyser le flux et estimer le décentrement de l’image, les rectangles I1, I2, I3, I4 sont les zones utilisées pour calculer les différences d’intensité horizontalement (I2-I1) et verticalement (I3-I4).
Crédit : Consortium MICADO
Outre la conception des masques proprement-dite, le développement du mode haut contraste de MICADO comprend aussi :
Les principaux jalons du projet sont les suivants :