Quelques instruments d’exploration

La monture

La monture permet de suivre les objets célestes dans leur mouvement apparent dans le ciel. Les deux plus courantes sont la monture azimutale et la monture équatoriale (cf schémas ci-contre). La monture azimutale nécessite de piloter deux axes lors de l’observation, de façon à compenser à la fois l’azimut et la rotation de la Terre. La monture équatoriale est, quant à elle, plus utilisée en astronomie car elle permet de compenser la rotation de la Terre et ne nécessite donc le contrôle que d’un seul axe.

L’optique adaptative

Pour les télescopes terrestres, l’optique adaptative est une technologie essentielle pour corriger en temps réel les distorsions introduites par les turbulences atmosphériques terrestre sur la lumière provenant des objets célestes. Ces distorsions créent des images floues et réduisent la résolution des télescopes.

Pour y remédier, un capteur mesure en temps réel les déformations du front d’onde lumineux arrivant au télescope. Un ordinateur analyse ensuite les données du capteur et envoie des commandes à un miroir déformable. La surface de ce miroir est alors légèrement déformée de manière à compenser les distorsions atmosphériques. La lumière réfléchie par le miroir est alors focalisée sur un instrument d’observation, produisant une image beaucoup plus nette et détaillée.

Avantages de l’optique adptative:

• Amélioration de la résolution: L’optique adaptative permet d’obtenir des images d’une qualité comparable à celles que l’on aurait dans l’espace, sans les contraintes liées au lancement d’un télescope spatial.
• Observation d’objets faibles: En focalisant mieux de lumière collectée, l’optique adaptative permet d’observer des objets célestes beaucoup plus faibles, comme les exoplanètes ou les galaxies lointaines.
• Étude de phénomènes rapides: L’optique adaptative permet également de mieux suivre l’évolution rapide de phénomènes astrophysiques, comme les explosions d’étoiles ou les mouvements de matière autour des trous noirs.

Les grands télescopes terrestres

Les astronomes professionnels utilisent des télescopes de très grande taille, installés dans des observatoires situés dans des sites privilégiés, à l’abri de la pollution lumineuse et des turbulences atmosphériques. Parmi les plus grands télescopes terrestres, on peut citer :

• Le Very Large Telescope (VLT) : Situé au Chili, ce complexe de quatre télescopes de 8 mètres de diamètre est l’un des instruments les plus puissants au monde.
• Le Grand Télescope des Canaries (GTC) : Situé sur l’île de La Palma, aux Canaries, ce télescope de 10,4 mètres de diamètre est le plus grand télescope optique et infrarouge du monde.
• Le Keck Observatory : Situé à Hawaï, cet observatoire dispose de deux télescopes de 10 mètres de diamètre qui peuvent fonctionner en interférométrie pour obtenir une résolution angulaire encore plus élevée.
• Le radiotélescope FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope) : Situé en Chine, le FAST est le plus grand radiotélescope à une seule antenne au monde. Son immense parabole de 500 mètres de diamètre lui permet de détecter des signaux radio faibles et d’explorer de vastes régions du ciel.

Ces grands télescopes, qu’ils observent la lumière visible, infrarouge ou radio, sont équipés d’instruments scientifiques de pointe, tels que des spectrographes, des caméras à grand champ et des coronographes, qui permettent d’étudier une grande variété d’objets célestes avec une précision inégalée.

Une description plus précise de chacun d’eux est donnée ci-dessous.

L’avenir des télescopes terrestres

Les technologies continuent d’évoluer, permettant de construire des télescopes toujours plus grands et plus performants. L’Extremely Large Telescope (ELT), actuellement en construction au Chili, aura un miroir primaire de 39 mètres de diamètre et permettra d’affiner grandement notre compréhension de l’Univers.

Une description plus précise de l’ELT est également donnée ci-dessous.

Le Very Large Telescope (VLT) permet d’observer les objets célestes les plus lointains afin d’étudier leur formation, leur évolution et la nature de l’Univers lui-même.

Organisation et construction :

• Le Constructeur : Le VLT est une réalisation de l’Observatoire européen austral (ESO), une organisation intergouvernementale d’astronomie soutenue par 16 pays européens, dont la France. L’ESO a été créé dans le but de concevoir et de construire les instruments astronomiques les plus puissants au monde, et de rendre ces instruments accessibles à la communauté astronomique.
• Localisation : Le VLT est situé sur le Cerro Paranal, une montagne isolée dans le désert d’Atacama au Chili. Ce site a été choisi pour ses conditions atmosphériques exceptionnelles, avec un ciel très clair et sec pendant la majeure partie de l’année, ce qui est essentiel pour l’observation astronomique.
• Dates de mise en service : La construction du VLT a débuté dans les années 1990, et le premier télescope a vu sa « première lumière » en 1998. Depuis lors, le complexe a été progressivement agrandi et amélioré, et il reste à la pointe de la technologie astronomique.

Caractéristiques techniques :

Le VLT se compose aujourd’hui de quatre télescopes principaux, chacun équipé d’un miroir primaire de 8,2 mètres de diamètre, ainsi que de quatre télescopes auxiliaires plus petits. Ces télescopes peuvent fonctionner individuellement ou en combinaison, grâce à une technique appelée interférométrie, qui permet d’obtenir une résolution angulaire équivalente à celle d’un télescope unique beaucoup plus grand.

Quelles sont les principales différences entre le VLT et d’autres grands télescopes ?

Il existe de nombreux grands télescopes dans le monde, chacun avec ses propres caractéristiques et avantages. Voici quelques différences clés entre le VLT et d’autres télescopes :

• Nombre de télescopes : Le VLT se distingue par ses quatre télescopes principaux qui peuvent fonctionner de manière indépendante ou en combinaison, contrairement à d’autres télescopes, comme le Keck ou le Subaru, qui sont des télescopes monolithiques.
• Localisation : Le VLT est situé dans le désert d’Atacama, un site réputé pour ses conditions d’observation particulièrement exceptionnelles.
• Mode d’observation : Le VLT peut fonctionner en mode interférométrique, ce qui lui confère une résolution angulaire très élevée.

Les télescopes et leurs instruments :

• Les télescopes principaux : Chaque télescope principal est équipé d’une variété d’instruments scientifiques, tels que des caméras à haute résolution, des spectrographes pour analyser le spectre de la lumière des étoiles, et des coronographes pour étudier les objets de faible luminosité situés à proximité d’étoiles brillantes.
• Les télescopes auxiliaires : Les télescopes auxiliaires sont utilisés principalement pour l’interférométrie.

Découvertes majeures :

Grâce à sa puissance et à sa flexibilité, le VLT a permis de nombreuses découvertes majeures en astrophysique, notamment :

• Premières images directes d’exoplanètes: Les premières images directes d’exoplanètes ont été obtenues grâce au VLT. Bien que la date exacte de la première image puisse varier selon les critères retenus, les années 2004-2005 marquent un tournant dans ce domaine.
• Mesures précises de la masse des trous noirs supermassifs: Les observations du VLT ont permis de mesurer avec une précision inégalée la masse des trous noirs supermassifs au centre des galaxies. Les premiers travaux ont été menés par de nombreuses équipes de chercheurs au cours des années 2000 et 2010.
• Étude de la formation des étoiles: Le VLT a fourni des images détaillées de plusieurs régions de formation d’étoiles, permettant de mieux comprendre les processus physiques à l’œuvre.

Le Gran Telescopio Canarias (GTC) est un observatoire astronomique de premier plan qui contribue à la compréhension de l’Univers et des objets célestes qui le composent.

Organisation et construction :

• Le constructeur : Le GTC est la réalisation d’un consortium international regroupant principalement des institutions espagnoles, mexicaines et américaines. L’Institut d’Astrophysique des Canaries (IAC) a joué un rôle central dans la conception et la construction du télescope.
• Localisation : Le GTC est situé à l’Observatoire du Roque de Los Muchachos, sur l’île de La Palma dans l’archipel des Canaries. Ce site a été choisi pour ses excellentes conditions d’observation, avec un ciel très clair et stable.
• Date de mise en service : Après plusieurs années de construction, le GTC a vu sa première lumière en 2007. Il est depuis lors utilisé par la communauté scientifique internationale pour mener des observations de pointe.

Caractéristiques techniques :

• Miroir primaire : Le GTC possède un miroir primaire segmenté de 10,4 mètres de diamètre, ce qui en fait l’un des plus grands télescopes optiques du monde. Cette conception permet de collecter une grande quantité de lumière et d’obtenir une haute résolution angulaire.
• Instruments scientifiques : Le télescope est équipé d’une variété d’instruments scientifiques, tels que des caméras à haute résolution, des spectrographes et des coronographes.

Découvertes majeures :

Le GTC a permis de nombreuses découvertes importantes en astrophysique, notamment :

• Étude des galaxies lointaines : Le GTC a été utilisé pour étudier les galaxies les plus lointaines de l’Univers, permettant de mieux comprendre leur formation et leur évolution.
• Recherche de planètes extrasolaires : Le télescope a contribué à la recherche de planètes en orbite autour d’autres étoiles, notamment en utilisant la technique de l’imagerie directe (voir la page « Les exoplanètes »).
• Étude des trous noirs supermassifs : Le GTC a permis d’observer précisément les trous noirs supermassifs au centre des galaxies, et de mieux comprendre leur rôle dans l’évolution des galaxies.

L’Observatoire W. M. Keck est situé au sommet du Mauna Kea à Hawaï. Il fournit aux chercheurs du monde entier un accès à des télescopes optiques et infrarouges parmi les plus performants.

Organisation et construction :

L’observatoire est le fruit d’une collaboration entre l’Université de Californie (Berkeley), le California Institute of Technology (Caltech) et la NASA.

Situé à 4145 mètres d’altitude sur le volcan Mauna Kea, l’observatoire bénéficie d’un ciel exceptionnellement clair et stable, offrant des conditions d’observation optimales. Le Keck I a vu sa première lumière en 1993, suivi de près par le Keck II en 1996.

Caractéristiques techniques :

Les deux télescopes Keck sont des instruments impressionnants :

• Miroirs primaires segmentés : Chaque télescope est équipé d’un miroir primaire composé de 36 segments hexagonaux, ce qui permet d’obtenir un diamètre de 10 mètres. Cette conception innovante a révolutionné la construction des grands télescopes.
• Optique adaptative : Les Keck utilisent des systèmes d’optique adaptative pour corriger les effets de la turbulence atmosphérique, permettant d’obtenir des images d’une qualité exceptionnelle.
• Instruments scientifiques : Une large gamme d’instruments scientifiques est disponible sur les télescopes Keck, couvrant un large spectre électromagnétique, du visible à l’infrarouge. Ces instruments permettent d’étudier la composition chimique des étoiles et des galaxies, de mesurer les distances cosmiques et de détecter des exoplanètes.

Découvertes majeures :

Les télescopes Keck ont joué un rôle crucial dans de nombreuses découvertes majeures :

• Détection d’exoplanètes : Les Keck ont permis de détecter de nombreuses exoplanètes, notamment grâce à la méthode des vitesses radiales (voir la page « Les exoplanètes »).
• Mesure de la constante de Hubble : Les Keck ont contribué à affiner la mesure de la constante de Hubble, qui décrit l’expansion de l’Univers (voir les pages « Distance et temps » et « La tension de Hubble »).
• Étude des trous noirs supermassifs : Les Keck ont permis d’étudier en détail les trous noirs supermassifs au centre des galaxies.
• Observation des premières galaxies : Les Keck ont observé certaines des galaxies les plus lointaines et les plus anciennes de l’Univers.

Le Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST), ou Tianyan (Œil Céleste) en chinois, est un radiotélescope géant conçu pour explorer les signaux radio en provenance des confins de l’Univers. Ses objectifs principaux sont :

• Détecter des signaux radio faibles : FAST est particulièrement sensible aux signaux radio faibles, ce qui lui permet de détecter des objets célestes très lointains ou peu lumineux, comme les pulsars milliseconde ou les molécules interstellaires complexes.
• Explorer la matière noire et l’énergie sombre : En étudiant la distribution de l’hydrogène neutre dans l’Univers, FAST peut apporter des informations précieuses sur la nature de la matière noire et de l’énergie sombre.
• Rechercher des signes de vie extraterrestre : FAST est utilisé pour rechercher des signaux radio artificiels émis par d’éventuelles civilisations extraterrestres.

Organisation et construction :

FAST est un projet ambitieux mené par la Chine. Il a été conçu par l’Institut national d’astronomie de Chine.

FAST est installé dans une dépression naturelle karstique dans la province du Guizhou, en Chine. Ce site a été choisi pour son éloignement des sources d’interférences radio, essentielles pour ce type d’observations astronomiques. Le télescope a été mis en service en 2016.

Caractéristiques techniques :

• Diamètre : 500 mètres, ce qui en fait le plus grand radiotélescope à une seule ouverture au monde.
• Surface réfléchissante : Composée de milliers de panneaux triangulaires, la surface réfléchissante de FAST peut être ajustée pour focaliser les ondes radio sur le récepteur central.
• Récepteur : Le récepteur de FAST est suspendu au-dessus de la surface réfléchissante par des câbles, ce qui lui permet de se déplacer pour optimiser les observations.

Différences avec les autres grands radiotélescopes

FAST se distingue par sa taille impressionnante et sa conception unique. Contrairement aux radiotélescopes paraboliques traditionnels, FAST est sphérique, ce qui lui permet de couvrir une large portion du ciel. De plus, les ondes radio peuvent traverser d’énormes distances dans l’espace sans être absorbées par la poussière ou le gaz interstellaire, ce qui permet au radiotélescope d’observer des objets de faibles intensité très lointains qui seraient invisibles pour les télescopes optiques.

Découvertes majeures :

Depuis sa mise en service, FAST a déjà permis de réaliser de nombreuses découvertes importantes, notamment :

• Nouveaux pulsars et FRB : FAST a détecté un grand nombre de nouveaux pulsars et de sursauts radio rapides (FRB), évènements très énergétiques et très lointains.
• Étude des molécules interstellaires : FAST a permis de détecter de nouvelles molécules complexes dans le milieu interstellaire, ce qui apporte de nouvelles informations sur la formation des étoiles et des planètes.
• Recherche de signaux extraterrestres : Bien qu’aucune civilisation extraterrestre n’ait encore été découverte, FAST continue de scruter le ciel à la recherche de signaux radio artificiels.

L’Extremely Large Telescope (ELT) est un projet ambitieux de l’Observatoire européen austral (ESO) visant à construire le plus grand œil optique au monde. L’ELT permettra d’explorer les origines de l’Univers, d’étudier la formation des galaxies et des étoiles, de caractériser les exoplanètes et de mieux comprendre les lois de la physique dans des conditions extrêmes.

Organisation et construction :

L’ESO, organisme intergouvernemental d’astronomie, est responsable de la conception, de la construction et de l’exploitation de l’ELT. De nombreux pays européens, comme la France, ainsi que le Chili, participent à ce projet de grande envergure.

L’ELT est en construction sur le Cerro Armazones, une montagne du désert d’Atacama au Chili, à une altitude d’environ 3060 mètres. Ce site a été choisi pour ses excellentes conditions d’observation, avec un ciel très clair et une faible turbulence atmosphérique. La première lumière de l’ELT est initialement prévue pour 2027, mais ce calendrier pourrait être légèrement modifié en fonction des avancées des travaux.

Caractéristiques techniques :

• Miroir primaire : Le cœur de l’ELT est son miroir primaire segmenté, d’un diamètre de 39 mètres. Ce miroir géant sera composé de près de 800 segments hexagonaux, chacun contrôlé individuellement pour former une surface optique parfaite.
• Optique adaptative : L’ELT sera équipé d’un système d’optique adaptative de pointe, qui corrigera en temps réel les effets de la turbulence atmosphérique, permettant ainsi d’obtenir des images d’une qualité exceptionnelle.
• Instruments scientifiques : L’ELT sera équipé d’une suite d’instruments scientifiques très performants, couvrant un large domaine spectral, du visible à l’infrarouge. Ces instruments permettront d’effectuer une grande variété d’observations, de la spectroscopie à haute résolution à l’imagerie à grand champ.

Découvertes attendues :

L’ELT est attendu pour affiner notre compréhension de l’Univers. Parmi les découvertes potentielles, on peut citer :

• Détection d’exoplanètes habitables : L’ELT permettra de détecter et de caractériser des exoplanètes de taille terrestre situées dans la zone habitable de leur étoile, offrant ainsi de nouvelles perspectives dans la recherche de la vie extraterrestre.
• Étude des premières galaxies : L’ELT pourra observer les premières galaxies formées après le Big Bang, ce qui permettra de mieux comprendre l’histoire de l’Univers.
• Mesure de la constante de Hubble : L’ELT contribuera à affiner la mesure de la constante de Hubble, qui décrit l’expansion de l’Univers (voir les pages « Distance et temps » et « La tension de Hubble »).
• Étude des trous noirs supermassifs : L’ELT permettra d’étudier en détail les trous noirs supermassifs au centre des galaxies, et de tester la théorie de la Relativité Générale dans leur environnement extrême.

Δ  Ψ  Pour aller plus loin…

• Site de l’ESO (European Southern Observatory) : L’ESO gère plusieurs des plus grands télescopes au monde, notamment le Very Large Telescope (VLT) et l’Extremely Large Telescope (ELT). Leur site web propose des informations détaillées sur les instruments, les observations et les découvertes : https://www.eso.org/
• Site de l’Observatoire Keck : Situé à Hawaï, l’observatoire Keck abrite deux des plus grands télescopes optiques du monde : https://www.keckobservatory.org/
• Site du Gran Telescopio Canarias (GTC) : Situé sur l’île de La Palma, aux Canaries, le GTC est l’un des télescopes les plus performants : https://www.gtc.iac.es/gtc/gtc.php