#MeetESO : A la rencontre de Paranal – 1ère partie

Il est des voyages qu’on referait indéfiniment. Ce voyage au Chili en fait partie. Depuis que je suis rentrée je ne rêve que d’une chose : y retourner. Il faut dire que les paysages sont grandioses et les lieux visités totalement magiques.

Aller à Paranal ça se  mérite. Déjà, c’est environ 14h de vol depuis Paris pour rejoindre Santiago, puis le lendemain 2h de vol entre Santiago et Antofagasta suivi par environ 2h de route dans le désert entre Antofagasta et Paranal. Dans l’avion j’ai réussi à apercevoir Paranal à travers le hublot, environ 15 minutes avant d’atterrir.

 

Paranal vu d'avion

Paranal vu d’avion. A gauche les télescopes, à droite le camp de base.

 

Le ciel était loin d’avoir la jolie couleur bleue que l’on voit dans la grande majorité des photos. La faute à El Niño, particulièrement virulent cette année.

L’ESO avait loué un mini-bus que nous avons pris à l’aéroport, et c’était parti pour 2h de route dans un paysage désertique mais que je n’ai pas cessé de regarder. Les nuances d’ocre sont infinies. Je n’ai pas vu le temps passer…

 

Sur la route entre Antofagasta et Paranal

Sur la route entre Antofagasta et Paranal

On se croirait sur Mars, mais nous sommes bien sur Terre

On se croirait sur Mars, mais nous sommes bien sur Terre

 

Puis nous quittons la route principale et bifurquons vers la droite pour commencer notre ascension du Cerro Paranal.

 

 

Nous apercevons les télescopes du VLT quelques minutes avant d’arriver à la barrière de sécurité du site, au détour d’un virage. Même sous le ciel gris, ça fait quelque chose de les voir au loin, dominant tout le paysage.

 

A la barrière de sécurité de l'observatoire de Paranal

A la barrière de sécurité de l’observatoire de Paranal

 

Quelques mètres de plus et nous découvrons La Residencia. Ou plutôt son dôme car la résidence des astronomes a été construite de telle sorte que seul le dôme apparaisse depuis la route.

 

Arrivé à destination

Arrivé à destination

 

L’intérieur est réellement un oasis dans le désert. L’atmosphère y est humide (grâce à la piscine) et douce. Au-dessus du mat, une toile est déployée la nuit à travers le dôme pour éviter que la lumière de l’hôtel ne pollue le ciel et ne gêne les observations des télescopes.

 

Depuis la porte d'entrée de la Residencia

Depuis la porte d’entrée de la Residencia. La réception se trouve au niveau supérieur.

 

Après avoir pris possession de nos chambres (avec une vue imprenable sur le désert), il est l’heure de déjeuner. Il est 14h passés, notre petit-déjeuner est déjà loin.

 

A la Residencia de Paranal, chambre avec vue

A la Residencia de Paranal, chambre avec vue

 

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A la cantine, c’était le jour du barbecue !

 

La Residencia est le lieu de vie des astronomes lorsqu’ils viennent faire des observations à Paranal. Tout est fait pour qu’ils puissent se détendre après une longue nuit de travail. On y trouve entre autre une salle de musique, un sauna, une salle de cinéma, une table de ping-pong, une piscine. Une salle de sport se trouve dans un autre bâtiment du camp de base.

 

La salle de musique de La Residencia est bien équipée !

La salle de musique de La Residencia est bien équipée !

 

Petit détail amusant : les tapis de La Residencia sont de véritables images issues de spectromètres 🙂

 

Tapis à La Residencia

 

La façade de la Residencia se dévoile lorsqu’on fait le tour du bâtiment, coté Sud-Ouest (du coté du Pacifique donc). Les fenêtres étroites évitent que trop de lumière ne s’échappe vers l’extérieur. J’imagine que cela permet également une meilleure isolation thermique. La nuit tombée, il est demandé aux hôtes de fermer les rideaux. Les lumières des parties communes sont tamisées. Seules quelques veilleuses restent allumées et diffusent suffisamment de lumière pour que l’on puisse se diriger dans les couloirs.

 

La façade coté Océan Pacifique de La Residencia

La façade coté Océan Pacifique de La Residencia

 

La nuit, sous le dôme couvert, l’atmosphère est très apaisante.

 

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Après avoir fait le tour de La Residencia, nous sommes invités à nous rendre sur la plateforme où se situent les télescopes du VLT à 3km de distance et 200 mètres plus haut. Un écran à la réception de l’hôtel nous donne une idée de ce qui nous attend là-haut : du vent (des rafales à 68.6km/h) et pas très chaud (la température ressentie n’est que de -1°C !)

 

Ecran indiquant les conditions climatiques au niveau de la plateforme

 

Sur la plateforme, située à 2635m d’altitude, on découvre l’immensité des quatre télescopes unitaires (UT en anglais) accompagnés par les 4 télescopes auxiliaires (AT en anglais). Sur la plateforme se trouve également le VST (VLT Survey Telescope), un télescope qui grâce à son grand champ permet de cartographier le ciel.

Les UT ont un miroir primaire de 8,2 mètres de diamètre. Plus petits, les AT ont un miroir primaire de 1,80 mètres de diamètre. Quant au VST, son miroir primaire est de 2,60 mètres et il s’agit du plus grand télescope de sondage au monde dans la lumière visible.

 

Sur la plateforme du Very Large Telescope à Paranal. Parmi les grands télescopes on trouve, de gauche à droite : UT4 (Yepun), UT1 (Antu), UT2 (Kueyen), UT3 (Melipal) et le VST (VLT Survey Telescope). On apperçoit égalmeent trois des quatre petits télescopes auxiliaires.

Sur la plateforme du Very Large Telescope à Paranal. Parmi les grands télescopes on trouve, de gauche à droite : UT4 (Yepun), UT1 (Antu), UT2 (Kueyen), UT3 (Melipal) et le VST (VLT Survey Telescope). On aperçoit également trois des quatre petits télescopes auxiliaires.

 


Chaque télescope unitaire a été baptisé lors d’un concours organisé par l’ESO en 1999. C’est une jeune chilienne de 17 ans qui l’a remporté en utilisant des noms issus de la langue des Mapuche, une tribu indigène du Chili.

UT1 a été baptisé ANTU qui signifie Le Soleil
UT2 a été baptisé KUEYEN qui signifie La Lune
UT3 a été baptisé MELIPAL qui signifie La Croix du Sud
UT4 a été baptisé YEPUN qui signifie Venus (celle du soir car celle du matin avait un autre nom en langue Mapudungun).

Nous avons eu la possibilité d’entrer à l’intérieur de Yepun. C’est gigantesque. J’ai demandé à Francisco de l’équipe chilienne de l’ESO, de se mettre sous le télescope pour nous donner une idée de la taille de celui-ci.

 

Oui, c'est un homme de taille normale qui se trouve dessous !

Oui, c’est un adulte de taille normale qui se trouve dessous !

 

Chaque UT possède trois emplacements où des instruments peuvent être installés. Ces instruments vont permettre d’analyser les signaux de lumière reçus. Il y a un instrument de chaque coté du télescope sur les foyers Nasmyth (sur une plateforme en haut de chaque escalier bleu) et un instrument sous le télescope sur le foyer Cassegrain. On aperçoit ce dernier derrière Francisco.

Sur Yepun, l’instrument installé sur le foyer Cassegrain s’appelle SINFONI (Spectrograph for INtegral Field Observations in the Near Infrared). C’est un spectrographe à champ intégral qui réalise des observations dans le domaine du proche infrarouge alimenté par un module d’optique adaptative. On aperçoit mieux l’instrument SINFONI sur la photo ci-dessous, en forme de cuve cylindrique.

 

SINFONI installé sous UT4

 

Au niveau d’un des deux foyers Nasmyth on trouvera HAWK-I (High Acuity Wide-field K-band Imager), un imageur grand champ qui permet d’obtenir des images d’objets étendus, comme les galaxies proches ou les grandes nébuleuses, mais également des étoiles individuelles ou des exoplanètes.

 

L'UT4 Yepun

HAWK-I se situe à droite du télescope sur cette image, le cylindre métallique alimenté par des fils verts. On aperçoit également le miroir secondaire en haut de la structure du télescope

Sur la photo ci-dessus on peut également apercevoir le miroir secondaire (en haut de la structure), ainsi que les 4 unités laser (LGSU : Laser Guide Star Unit) qui entourent le télescope et qui permettent de créer des étoiles guide (voir ci-après pour des explications).

Sur le deuxième foyer Nasmyth se trouve MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer). Cet instrument, inauguré en 2014, est bien reconnaissable à ses nombreux tuyaux, le faisant ressembler à une méduse.

 

L'instrument MUSE sur l'un des foyers Nasmyth de l'UT4 (Yepun) du VLT

L’instrument MUSE, reconnaissable à ces nombreux tuyaux, faisant penser à une méduse

 

MUSE, tout comme SINFONI, est un spectrographe à champ intégral. Il a été construit dans l’intention d’étudier le contenu et les processus en cours dans l’univers à ses tout débuts, lorsque les premières étoiles et les galaxies se sont formées. MUSE doit également cartographier la distribution de la matière noire dans les amas de galaxies en utilisant l’effet de microlentille gravitationnelle sur les galaxies d’arrière-plan. MUSE va aussi fournir des informations détaillées sur les dynamiques internes de plusieurs classes de galaxies dans des détails sans précédent.

 

Fonctionnement d’un télescope :

 

Schéma représentant un télescope unitaire du VLT. M1, M2 et M3 sont les miroirs primaires, secondaires et tertiaires. (Crédit image : di Lieto, Sahlmann, et al. 2007)

Schéma représentant un télescope unitaire du VLT. M1, M2 et M3 sont les miroirs primaires, secondaires et tertiaires. (Crédit image : di Lieto, Sahlmann, et al. 2007)

 

La lumière qui arrive de l’espace va se refléter sur le miroir primaire (M1), qui la renvoie sur le miroir secondaire (M2) situé en haut de la structure qui va renvoyer la lumière en direction du miroir tertiaire (M3) situé au centre du miroir primaire. Si c’est l’instrument situé au foyer Cassegrain qui est utilisé, le miroir tertiaire pivote et laisse passer la lumière vers le foyer Cassegrain. Si c’est un instrument situé sur l’un des deux foyers Nasmyth qui est utilisé, le miroir tertiaire aura été préalablement positionné pour renvoyer la lumière vers l’instrument en question. Vous pouvez voir le miroir primaire et le miroir tertiaire sur la photo ci-dessous

 

Les miroirs primaire et tertiaire sont visibles sur cette photo. Le miroir tertiaire est orienté pour refléter la lumière vers le coté droit, en direction de l'un des instruments situé au foyer Nasmyth

Les miroirs primaire et tertiaire sont visibles sur cette photo. Le miroir tertiaire est orienté pour refléter la lumière vers le coté droit, en direction de l’un des instruments situé au foyer Nasmyth

 

Le miroir primaire d’un télescope unitaire du VLT a un diamètre de 8,20 mètres et pèse 23 tonnes pour seulement 17,6 cm d’épaisseur !

 

Le miroir primaire vu de profil. 17,6cm d'épaisseur, ce n'est pas beaucoup !

Le miroir primaire vu de profil. 17,6cm d’épaisseur, ce n’est pas beaucoup !

 

Lorsqu’il va être pivoté lors des observations, le miroir va se déformer sous l’effet de la gravité et de son poids. Cela va générer des images floues, ce qui est gênant pour un télescope….

Pour compenser cette déformation, une technique appelée Optique Active a été mise en place. Il s’agit de 150 vérins hydrauliques situés sous le miroir ainsi que 64 autres sur les cotés (on voit les vérins latéraux sur la photo ci-dessus). Ces vérins, pilotés par ordinateur, vont ajuster la forme et la position du miroir, environ une fois par minute, pour qu’il garde la forme nécessaire à l’obtention d’une image nette. L’ordinateur calcule les corrections à apporter en se basant sur une étoile de référence et en essayant de maintenir cette étoile aussi ronde et nette que possible. Voir un schéma du système ici.

 

Vue du dessous d'un miroir du VLT, on aperçoit quelques-uns des 150 vérins hydrauliques qui vont compenser la déformation du miroir sous son propre poids

Vue du dessous d’un miroir du VLT, on aperçoit quelques-uns des 150 vérins hydrauliques (de forme carrée) qui vont compenser la déformation du miroir.

 

Une fois la déformation du miroir compensée, il reste un autre phénomène qui peut générer du flou dans les images : les turbulences atmosphériques. Même à haute altitude et même en plein milieu du désert le plus aride au monde, celles-ci existent toujours. Ce sont les turbulences atmosphériques qui font que l’on voit les étoiles scintiller.

Le système qui corrige ce problème s’appelle Optique Adaptative (à ne pas confondre avec l’Optique Active !). En se basant sur une étoile de référence très brillante et proche de la zone à observer, un ordinateur va déformer en temps réel le miroir secondaire (qui fait 94 cm de diamètre), afin de compenser les turbulences. Comme il n’existe pas toujours d’étoiles brillantes proche des zones à observer, il est possible de créer une étoile artificielle en envoyant un faisceau laser dans le ciel. Le laser va exciter les atomes de sodium dans la mésosphère entre 90 et 110 km d’altitude qui vont se mettre à briller comme une étoile. Sachant quelle forme est censée avoir cette étoile artificielle, l’ordinateur peut alors calculer les corrections à apporter au miroir secondaire pour enlever cet effet de flou lié aux turbulences atmosphériques.

Depuis avril 2016, un système de 4 unités laser a été installé sur YEPUN, permettant ainsi d’élargir la zone du ciel à corriger en créant non pas une, mais quatre étoiles distinctes dans différents endroits de la zone à observer.

Nous n’avons malheureusement pas pu observer les lasers en fonctionnement, la phase de mise en service (commissioning) était achevée lorsque nous sommes arrivés. Mais voici une photo prise lors de l’inauguration du système en avril dernier

 

Inauguration du système de 4 étoiles guide laser sur Yepun le 26 Avril 2016. Ce sont les étoiles guide laser les plus puissantes existantes en astronomie. (Crédit : ESO/G. Hüdepohl)

Inauguration du système de 4 étoiles guide laser sur Yepun le 26 Avril 2016. Ce sont les étoiles guides laser les plus puissantes existantes en astronomie. (Crédit : ESO/G. Hüdepohl)

 

Revenons à notre visite de Paranal… La météo n’étant pas propice aux observations en ce dimanche soir, nous n’avons pas pu être témoin de l’ouverture des télescopes. Mais nous avons gagné un superbe coucher de soleil sur le Pacifique, renforcé par la présence des nuages qui se sont enflammés. C’était super chouette.

 

Coucher de soleil au-dessus de Paranal

 

Ce soir-là, après l’excellent dîner à la cantine de La Residencia, nous avons eu la chance de parler avec deux astronomes de l’ESO en salle de contrôle.

Pour commencer, Julien Milli nous a expliqué le fonctionnement des instruments présents sur l’UT3 Melipal, le télescope sur lequel il travaille. Ces instrument sont SPHERE, VISIR et VIMOS.

 

 

Son instrument de prédilection est SPHERE, il s’agit d’un instrument qui sert à la recherche d’exoplanètes (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch instrument). L’instrument a pour objectif de capturer des images directs des exoplanètes, c’est à dire prendre des photo de ces planètes qui orbitent autour d’autres étoiles que notre soleil. L’exercice est difficile car la luminosité des étoiles masque en grande partie tout ce qui peut se trouver autour. C’est pourquoi en temps normal la détection d’exoplanètes se fait par des moyens indirects : par exemple par la méthode des vitesses radiales ou encore en mesurant la luminosité d’une étoile (méthode du transit) : une baisse de la luminosité indique qu’un objet (une planète) est passé devant.

SPHERE est couplé à un système d’optique adaptative ainsi qu’à un coronographe qui permet de masquer le disque de l’étoile pour mieux détecter les planètes tournant autour. Mais comme masquer le disque d’une étoile n’est pas suffisant, il reste toujours un halo brillant autour de l’étoile, l’instrument va utiliser la technique de l’imagerie différentielle : la lumière venant d’une étoile est non polarisée. Mais lorsque cette lumière est réfléchie par la surface d’une planète ou par un disque de poussière, elle devient partiellement polarisée. Cela permet donc d’isoler les deux types de lumière à l’aide de filtres, et bloquer celle venant de l’étoile en ne laissant passer que la lumière polarisée réfléchie par la planète ou le disque de poussière.

VISIR (VLT Imager and Spectrometer for mid-InfraRed) observe dans le domaine de l’infrarouge moyen. Il peut observer ce qu’il se passe derrière les nuages de gaz et de poussière et peut étudier par exemple la formation et l’évolution des étoiles.

Et pour finir VIMOS (VIsible Multi-Object Spectograph) est utilisé pour capturer le spectre lumineux (et permet ainsi d’étudier le déplacement et la composition) de centaines d’objets célestes de faible luminosité en même temps, comme des galaxies par exemple. Certains de ces objets se situent à des distances allant jusqu’à plusieurs milliards d’années-lumière.

Pour pouvoir n’étudier qu’un nombre limité d’objets (et non pas la totalité des objets de la région observée), un masque est réalisé en perçant des trous à l’endroit où se situe les objets ciblés.

Julien Milli nous explique le fonctionnement des masques de VIMOS

Julien Milli nous explique le fonctionnement des masques de VIMOS

 

Ce masque est ensuite placé sur VIMOS. La lumière des objets va passer à travers les trous du masque et VIMOS va décomposer la lumière à l’aide d’un appareil de type prisme pour chacun des objets, produisant un spectre qui sera enregistré par les caméras CCD de l’instrument. Chaque spectre va renseigner les astronomes sur la composition et le déplacement des objets étudiés.

 

Les stations de travail de l'UT3 Melipal. Deux écrans pour chaque instrument. De gauche à droite : SPHERE, VISIR et VIMOS

Les stations de travail de l’UT3 Melipal. Deux écrans pour chaque instrument. De gauche à droite : SPHERE, VISIR et VIMOS

 

Avez-vous remarqué, sur la photo ci-dessus, la petite affiche orange au-dessus du bureau : « KEEP CALM AND TURN IT OFF AND ON AGAIN », il faut croire que cette méthode fonctionne également avec des instruments de haute technologie 😀

 

Après ce moment intéressant passé en compagnie de Julien Milli, nous sommes allé à la rencontre d’un autre astronome de l’ESO, Willem-Jan de Wit, qui nous en a dit plus sur l’interférométrie.

 

Willem-Jan de Wit nous parle de l'interférométrie à Paranal

Willem-Jan de Wit nous parle de l’interférométrie à Paranal

 

L’interférométrie est la technique qui consiste à combiner le signal de plusieurs télescopes pour obtenir une image de meilleure résolution (c’est à dire avec des détails plus fins).

Avant ce soir-là je pensais que les quatre Télescopes Unitaires (UT1 à UT4) étaient systématiquement utilisés pour l’interférométrie mais ce n’est pas le cas. En fait les UT ne sont utilisés qu’environ 5 nuits par mois. Les autres nuits, ils n’utilisent que les 4 télescopes auxiliaires. Ce qui permet pour une nuit donnée de mener plusieurs observations en parallèle, en utilisant l’interférométrie et en utilisant les télescopes seuls.

 

Schéma du VLTI de Paranal

 

Le schéma ci-dessus présente les emplacements des télescopes auxiliaires (les pastilles de couleur A1 à A4) et le trajet effectué par les signaux lumineux à l’intérieur du tunnel d’interférométrie situé sous la plateforme.

Quel est le rôle de ce tunnel ?

Pour pouvoir être combiné par les instruments d’interférométrie, les faisceaux lumineux doivent arriver exactement en même temps (à la nanoseconde près)  à l’entrée de l’instrument. Pour homogénéiser le temps de trajet des faisceaux de lumière de tous les télescopes, il existe un système de lignes de retard : la lumière des télescopes est envoyée dans un tunnel en direction de miroirs placés sur des rails avant d’être réfléchie vers l’instrument utilisé. Ces miroirs vont permettre de rallonger le trajet de certains rayons et raccourcir le trajet d’autres, afin qu’au final, tous les rayons arrivent en même temps à l’entrée des instruments.

 

Vue du tunnel interférométrique et des lignes de retard (Crédit : ESO/H.Zodet)

Vue du tunnel interférométrique et des lignes de retard (Crédit : ESO/H.Zodet)

 

Chaque télescope auxiliaire peut être déplacé sur la plateforme en fonction des observations qui sont à faire. La résolution du VLTI (VLT Interferometry) correspond à celle que l’on aurait obtenue avec un télescope de diamètre équivalent à la plus grande distance entre deux télescopes du VLTI. Cette distance peut aller jusqu’à 130 mètres sans les AT et 200 mètres avec.

 

Le VLTI de Paranal

Le VLTI de Paranal

 

La photo ci-dessus offre une vue plus détaillée sur les lignes de retard (partie inférieure de l’écran) et sur le laboratoire, la pièce où sont situés les instruments de l’interféromètre qui vont recombiner les faisceaux lumineux. On voit notamment que les rayons sont dirigés vers un instrument qui s’appelle GRAVITY. Cet instrument qui fait partie de la deuxième génération des instruments de l’interféromètre est actuellement en phase de test à Paranal et il doit permettre d’étudier le trou noir supermassif (4 millions de fois la masse de notre soleil) qui se trouve au centre de notre galaxie en utilisant les 4 télescopes unitaires du VLT.

Qui mieux qu’un astronome peut résumer en quelques phrases ce qu’est GRAVITY

 

Pour en savoir plus sur GRAVITY, cette autre vidéo en français est beaucoup plus pointue, je vous laisse le lien si vous voulez la regarder 🙂

Et pour en savoir plus sur l’interférométrie à Paranal et voir les lignes de retard en fonctionnement, cet ESOcast (sous-titré en français) est à voir également.

 

Cette première journée à Paranal a été riche en découvertes et en informations. Le site est grandiose. Parler avec les astronomes a été très intéressant. Malheureusement le ciel ne permettra pas d’observer les étoiles ce soir-là, mais il parait que la météo va s’améliorer le jour suivant. Il y a intérêt, car c’est le jour du transit de Mercure devant le soleil ! A lire dans un prochain article !

Pour en savoir plus…

Les Storify de Remco, notamment le Jour 2
Les ESOcast de l’ESO, beaucoup de vidéos parlent de l’Observatoire et de la vie sur le site. La plupart des vidéos sont sous-titrées en français

 

 

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