Recombinaison interférométrique des grands télescopes du site du Mauna Kea à Hawaï

Proposition d'Action Thématique Innovante 2000

Olivier Lai, Télescope Canada-France-Hawaï

Guy Perrin, Département de Recherche Spatiale, Observatoire de Paris

13 mars 2000


  1. Présentation des proposants

1.1. Olivier Lai

1.1.1. Formation

  • 1988: A-Levels (équivalent baccalauréat), Michael Hall School, Angleterre.

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  • 1989-1991 : First Class Bachelor of Science (Honors), Physique, Imperial College of Science, Technology and Medicine, Londres, Angleterre

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  • 1992-1993 : DEA " Astrophysique et techniques spatiales ", Université Paris VII

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  • 1993-1996 : Thèse de doctorat Université Paris VII, " L'optique adaptative du télescope Canada-France-Hawaï et son utilisaton pour l'étude du coeur des galaxies à flambées d'étoiles. ", mention très honorable avec les félicitations du Jury

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  • 1997-1999 : Séjour post-doctoral à l?observatoire W.M. Keck. " Project Scientist " de l'optique adaptative.

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    1.1.2. Activités de recherche

    Instrumentation :
  • Intégration et étalonnage en laboratoire et sur le ciel de PUEO, l'optique adaptative du télescope Canada-France-Hawaï

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  • Intégration et étalonnage en laboratoire et sur le ciel de l'optique adaptative du télescope W.M. Keck, Project Scientist.

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  • Adaptation de la caméra infrarouge KCam pour l'optique adaptative du Keck.

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  • Remise à jour d'un interféromètre à rotation de pupille (en collaboration avec C. Roddier, Université d'Hawaï), installation sur le télescope W.M. Keck.

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  • Maintenance et mise à jour de PUEO, l'optique adaptative du télescope Canada-France-Hawaï. Introduction de l'instrument aux astronomes.

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  • Définition, programmation et maintenance des pipelines de réduction de données spécifiques à l'optique adaptative (Keck et TCFH).

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    Astrophysique :
  • Étude des galaxies Ultra-Lumineuses IRAS. Apport de la haute résolution angulaire (Markarian 231 et Arp 299).

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  • Noyaux actifs de galaxies. Morphologies et photométrie des régions d'emission des raies étroites (NGC 1068, NGC 7469).

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  • Galaxies à flambées d'étoiles. Morphologies, photométrie et relation avec les noyaux actifs. Mise en évidence d'amas géants d'étoiles jeunes (NGC 7469, Arp 299).
  • 1.1.3. Environnement

    Je suis atronome résident au télescope Canada France Hawaï, responsable de la haute résolution angulaire. Je m'occupe de la maintenance, du support et de la mise jour de la bonnette d'optique adaptative. Dans le parc des télescopes du Mauna Kea, le domaine de la haute résolution angulaire est en pleine effervescence et je participe à de nombreuses collaborations, par exemple, sur la réduction de données (avec Gemini et le Keck) ou l'instrumentation (avec le Keck et l'Université d'Hawaï). Je participe aussi aux groupes de travail dédiés à la haute résolution angulaire, que ca soit pour l'étude du site ou les programmes futurs (AO Da Kine Working Group).
     
     

    1.1.4. Publications

    Revues à comité de lecture
  • P. Wizinowich, D.S. Acton, C. Shelton, P. Stomski, J. Gathright, K. Ho, W. Lupton, K. Tsubota, O. Lai, C. Max, et al., " First Light Adaptive Optics Images from the Keck II Telescope: A New Era of High Angular Resolution Imagery ", 2000, PASP, 112, 315.

  •  
  • O. Lai et al.,  "Adaptive optics observations of luminous infrared galaxies II. Imaging of the merging galaxy Arp 299 ", 1999, A&A, 351, 843.

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  • O. Lai et al., " Adaptive Optics observations of ultra-luminous infrared galaxies I. J, H, K images of MKN 231 ", 1998, A&A 334, 783

  •  
  • D. Rouan, F. Rigaut, D. Alloin, R. Doyon, O. Lai et al., " Near-IR images of the torus and micro-spiral structure in NGC 1068 using adaptive optics ", 1998, A&A 339, 687.

  •  
  • F. Rigaut, D. Salmon, R. Arsenault, J. Thomas, O. Lai et al., " Performance of the Canada-France-Hawaii Telescope Adaptive Optics Bonnette ", 1998, PASP, 110, 152.

  •  
  • D. Rouan, D. Field, J.-L. Lemaire, O. Lai et al., " The power of adaptive optics : a close look at a molecular cloud in NGC 2023", 1997, MNRAS, 284, 395.

  •  
  • M. Combes, L. Vapillon, E. Gendron, A. Coustenis, O. Lai, et al., " Saptially resolved images of Titan by means of adaptive optics ", 1997, Icarus, 129, 482.

  •  
    Colloques internationaux
  • J.E. Larkin, T.M Glassman, P. Wizinowich, O. Lai, " Diffraction limited images of faint galaxies ", 1999, AAS, 195, 9305.
  • A. Quirrenbach, O. Lai, et al. " Keck adaptive optics observations of Seyfert nuclei ", 1999, AAS, 195, 9304.

  •  
  • D.S. Acton, P. Wizinowich, O. Lai, et al., " The Keck natural guide star adaptive optics facility : capabilities and early science ", 1999, AAS, 195, 9302.

  •  
  • F.J. Rigaut, J.-P. Véran, O. Lai, " Analytical model for Shack-Hartman-based adaptive optics systems ", 1998, SPIE, 3353, 1038.

  •  
  • D. Rouan, O. Lai, F.J. Rigaut, D. Alloin, " High angular observations of active galactic nuclei using PUEO, the CFHT adaptive optics system ", 1998, SPIE, 3353, 463.

  •  
  • O. Lai, et al., " CFHT adaptive optics : first results at the telescope ", 1997, SPIE, 2871, 859.

  • 1.2. Guy Perrin

    1.2.1. Formation

  • 1986 : baccalauréat série C

  •  
  • 1989-1992 : École polytechnique

  •  
  • 1992-1993 : DEA " Astrophysique et techniques spatiales ", université Paris 7

  •  
  • 1993-1996 : Thèse de doctorat université Paris 7, " Une unité de recombinaison à fibres pour l?interféromètre IOTA. Application à l?étude des étoiles de type tardif "

  •  
  • 1997-1999 : Temps partagé entre l'Observatoire de Paris et le Ministère de la Défense comme responsable de la mesure, modélisation et simulation des signatures et fonds au département optronique de la Délégation Générale pour l'Armement

  •  

    1.2.2. Activités de recherche

    Instrumentation :
  • Extension de FLUOR à l'infrarouge thermique

  •  
  • Étude théorique des capacités d'imagerie à haute dynamique d'un interféromètre par référence de phase

  •  
  • Conception et réalisation de l'instrument 10 mm du VLTI, MIDI (Co-PI)

  •  
  • Participation à la réalisation de l'instrument de test VINCI du VLTI qui est une copie de FLUOR

  •  
  • Conception et réalisation de l'instrumentation de recombinaison par fibres FLUOR installé sur l'interféromètre IOTA en Arizona

  •  
    Astrophysique :
  • Étude des étoiles variables à longue période (Miras et semi-régulières) avec FLUOR :
  • mesure du diamètre et caractérisation du mode de pulsation;
  • mise en évidence directe de la pulsation de la photosphère sur plusieurs étoiles;
  • étude de la dissymétrie possible de la photosphère.
  • Étude de la surface des étoiles supergéantes rouges

  •  
  • Mesure du diamètre et de la pulsation des étoiles céphéides pour établir leur distance

  •  
  • Étude théorique de la détection directe de planètes extrasolaires par méthodes interférométriques

  •  
  • Mise en évidence de la binarité de la nébuleuse post-AGB Frosty Leo

  •  
  • Étude du disque protoplanétaire de ß Pictoris
  • 1.2.3. Environnement

    J'appartiens à l'équipe de haute résolution angulaire du Département de Recherche Spatiale de l'Observatoire de Paris (DESPA) qui comporte 6 chercheurs et des personnels ingénieurs et techniciens. Notre groupe a la responsabilité directe de 3 étudiants en thèse. Nous participons à plusieurs projets d'instrumentation à haute résolution angulaire (optique adaptative NAOS pour le VLT, unité de recombinaison par fibres FLUOR, instruments MIDI et VINCI pour le VLTI notamment) et collaborons avec d'autres équipes de recherche (ONERA, observatoires de Grenoble et de la Côte d'Azur, National Optical Astronomical Observatories, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Université de Leiden, Max-Planck Institut für Astronomie, ). Je suis en outre membre du Conseil Scientifique de l'Action Spécifique Haute Résolution Angulaire de l'INSU.

    1.2.4. Publications dans des revues à comité de lecture

    Astrophysique
  • G. Perrin et al., " Interferometric observations of the semi-regular variable star SW Virginis in the K band. Evidence of asymmetry or pulsation from apparent photospheric diameter variations", 2000, soumis à A&A

  •  
  • G. Perrin et al., " Interferometric observations of R Leonis in the K band. First direct detection of the photospheric pulsation and study of the atmospheric intensity distribution ", 1999, A&A 345, 221

  •  
  • G. Perrin, V. Coudé du Foresto, S.T. Ridgway, et al., " Extension of the effective temperature scale of giants to types later than M6 ", 1998, A&A 331, 619

  •  
  • J.-L. Beuzit, Ph. Thébault, G. Perrin, D .Rouan, " Adaptive optics imaging of the Frosty Leo nebula ", A&A 291, L1 (1994)

  •  
  • A. Lecavelier, G. Perrin, R. Ferlet et al., " Observation of the central part of the ß Pictoris disk with an anti-blooming CCD ", A&A 274, 877 (1993)
  • Instrumentation
  • G. Perrin, " Correction of the "piston effect" in optical astronomical interferometry. II. Phase of the visibility function restoration ", 2000, soumis à A&AS

  •  
  • B. Mennesson, J.-M. Mariotti, V. Coudé du Foresto, G. Perrin et al., " Thermal infrared stellar interferometry using single-mode fiber optics: first results in the L band with the TISIS experiment on IOTA ", 1999, A&A 346, 181

  •  
  • G. Perrin, " Correction of the "piston effect" in optical astronomical interferometry. I. Modulus and phase gradient of the visibility function restoration ", 1997, A&AS 121, 55

  •  
  • J.-M. Mariotti, V. Coudé du Foresto, G. Perrin et al., " Interferometric connection of large ground-based telescopes ", A&AS 116, 381 (1996)

  •  
  • V. Coudé du Foresto, G. Perrin, M. Boccas, " Minimization of fiber disperion effects in double Fourier stellar interferometers ", A&A 293, 278 (1995)
  • 2. Contexte scientifique

    Depuis le début des années soixante-dix, les techniques de haute résolution angulaire pour l'optique et l'infrarouge ont fait des progrès croissants. L'interférométrie des tavelures a permis d'atteindre la limite de diffraction de grands télescopes en dépit de la turbulence atmosphérique en en figeant les effets grâce à des poses très courtes. L'optique adaptative permet aujourd'hui de corriger en temps réel les effets de la turbulence atmosphérique et d'obtenir des images à la limite de diffraction sur les plus grands télescopes de la planète avec une dynamique importante grâce à des temps de pose plus longs. La meilleure finesse d'image atteinte est inférieure à 0,1 seconde d'angle. Enfin, l'interférométrie longue base a permis de gagner un ordre de grandeur en résolution angulaire par rapport aux télescopes mono-pupillaires.

    Le niveau de maturité suffisant de l'interférométrie optique/infrarouge et de l'optique adaptative ont permis d'imaginer de grands interféromètres en cours de réalisation (VLTI et KeckI) qui seront ouverts à toute la communauté des astronomes contrastant ainsi avec les instruments d'équipe construits jusqu'à présent. Jusqu'alors limitée à l'étude de la physique stellaire, l'interférométrie va donner accès à des sources extragalactiques précédemment trop faibles en raison de la taille modeste des pupilles. Le VLTI et l?interféromètre Keck auront une résolution de 3 millisecondes d'angle à 2 µm. Cette résolution anglaire se traduit par une résolution linéaire sur des noyaux actifs de galaxie distants de 20 Mpc de 0.3 pc ce qui permet en théorie de résoudre le torre de poussière mais laisse non résolu le disque d'accrétion situé au centre dans la " broad line region ".

    Devant les limitations des grands télescopes actuels en résolution angulaire, des réflexions naissent (notamment à l'ESO et GEMINI) quant à la réalisation de très-très-grands télescopes de taille hectométrique (projet OWL et MAXAT, respectivement). Outre les difficultés de réalisation d'une surface collectrice d?aussi grande taille et de sa monture se pose le problème de la faisabilité du système d'optique adaptative qui sera nécessaire pour atteindre la limite de diffraction. Sur un télescope de 100m il faut une optique adaptative dotée d'un miroir déformable à au moins 30 000 actuateurs. La puissance des électroniques de calcul et de contrôle qui seront nécessaires sont en rapport avec l'accroissement en nombre d'actuateurs.

    On peut donc se demander si cette stratégie est la meilleure et s'il ne vaut pas mieux choisir de réaliser des réseaux interférométriques (Roddier & Ridgway, 1999) permettant l'accès à des résolutions plus importantes et à une qualité d'image meilleure que celle du VLTI et du KeckI. C'est le choix qui a été fait en astronomie radio. C'est dans l'optique de ce débat que s'inscrit notre proposition.
     

    3. Projet proposé

    3.1. Projet global

    Le sommet du Mauna Kea possède un parc de télescopes comprenant 2 miroirs monolithiques de 8 mètres de diamètre, 2 miroirs ségmentés de 11 mètres de diamètre et 3 télesccopes de classe 4 mètres, tous équipés de systèmes d?optique adaptative. Ces télescopes sont repartis sur un rectangle d'environ 300 sur 800 mètres de côté orienté selon deux axes Nord-Ouest et Sud-Est. C'est un site reconnu pour la qualité de son ciel (bonne transparence, peu de turbulence), idéal pour la haute résolution angulaire. L'idée de relier tous ces télescopes pour former un interféromètre géant a été proposée par l'équipe du DESPA (Mariotti et al. 1996) puis par une équipe de l'université de Hawaï (Roddier 1997).

    La présente proposition s'inscrit dans le cadre d'une liaison de ces grands télescopes par fibres monomodes dans le domaine des longueurs d'onde du proche infrarouge. L'utilisation des fibres optiques pour effectuer la liaison des télescopes permet de s'affranchir des contraintes topologiques locales. Le transport des faisceaux par un système optique classique nécessiterait la réalisation de tunnels longs et ferait usage d'un nombre important d'optiques réflectives. Cette solution rendrait l'instrument complexe et coûteux et nuirait à sa sensibilité. Avec une atténuation de 1-2 dB/km, la perte lors du transport dans les fibres en verre fluoré serait donc inférieure à 40% sur une distance de 1 km. Pour une solution à miroirs, la perte est de 40% pour un train de 10 miroirs de coefficient de réflexion égal à 95%, c'est-à-dire pour un petit nombre de miroirs de très bonne qualité. Par notre expérience avec l'instrument FLUOR sur IOTA, dont le train optique comporte 15 miroirs plans traités, nous savons qu'en réalité sa transmission est inférieure à 5%.

    Figure 1 : plan du site du Mauna Kea. Les lignes rouges représentent les bases possibles du futur interféromètre. Le VLTI est représenté dans le coin supérieur gauche à même échelle.

    La recombinaison sera également effectuée par des coupleurs fibrés monomodes. Cette technique de recombinaison est celle qui a été démontrée avec FLUOR. C'est à ce jour la meilleure technique de calibration des visibilités (Perrin et al. 1998). Tous les interféromètres en cours de réalisation disposent d'un système de calibration par fibres monomodes.

    Nous avons montré avec FLUOR que les difficultés traditionnellement associées à l'emploi de fibres optiques en interférométrie, à savoir la dispersion, le contrôle de la polarisation et le défaut de sensibilité, sont aujourd'hui parfaitement maîtrisées. L'utilisation de fibres en verre fluoré est même un avantage du point de vue du contrôle de la polarisation.

    Une extrapolation grossière et peu optimiste de la sensibilité de FLUOR permet d'anticiper une magnitude limite en K supérieure à 10.

    La figure 1. montre la disposition des télescopes du Mauna Kea, ainsi que les bases possibles. Le site offre à la fois des bases longues et des bases courtes. La complexité de l'instrument croissant avec la longueur des bases, les bases les plus courtes (GEMINI/TCFH, Keck/IRTF, Keck/SUBARU) pourront permettre de tester les principes de la recombinaison par fibres optiques au Mauna Kea et démontrer la faisabilité du projet dans son ensemble. Dans l'état actuel, les trois instituts interessés (en plus du DESPA et du groupe de F. Roddier à l'Université d'Hawaï) sont le Keck, GEMINI et le TCFH. Ces deux derniers définissent une base d'environ 150m alignée Nord-Sud. On voit que d'inclure le Keck (base de 700 mètres, alignée Est-Ouest) serait pour l'instant un défi technologique. Cependant le Keck pourrait en parallèle (et en collaboration avec le DESPA) développer une unité de recombinaison par fibre avec l'IRTF. Une fois ces deux bases établies, les relier ne sera plus aussi ambitieux que ça ne pourrait le paraître actuellement.
     

    3.2. Partenaires potentiels

    Il règne actuellement au sommet du Mauna Kea un climat propice à la haute résolution angulaire, grâce au succès des optiques adaptatives du Keck et de GEMINI. L'interféromètre du Keck est en bonne voie, et devrait voir sa première lumière vers la fin de 2001. Cependant, face au VLTI et ses 4 télescopes de 8 mètres sur une base de 130 mètres, dans un avenir proche, la communauté du Mauna Kea n'a que deux solutions : attendre la prochaine génération de télescopes géants ou s'unifier. Cette seconde solution est certes la plus favorable, mais nécessite une forte motivation à cause des nombreuses collaborations internationales qu'elle implique. Une telle collaboration serait une opportunité unique pour les laboratoires français spécialisés dans ce domaine de pouvoir participer à un tel projet par le biais du TCFH et de sa position de précurseur dans le domaine de la haute résolution angulaire.

    Grâce à une experience commune et à une solidarité développée pendant les intégrations des différents systèmes d'optique adaptative, nous nous trouvons actuellement dans une situation où les observatoires GEMINI et Keck seraient prêts à collaborer avec le groupe haute résolution angulaire de l'Université d'Hawaï, le DESPA et le TCFH. Le DESPA a une experience inégalée en interférométrie par fibres optiques grâce au projet FLUOR. Tous les observatoires sont bien conscients du fait que les fibres optiques ne sont pas seulement la solution la plus élégante pour transporter la lumière en vue d'une recombinaison cohérente, mais la seule solution : en effet, creuser des tunnels comme le n'est pas une option budgétairement viable pour des bases hecto- voire kilométriques ad-hoc. L'apport de l'Univerité d'Hawaï, en plus de son expertise dans le domaine de la haute et très haute résolution angulaire est crucial. En effet, pour s'assurer de pouvoir obtenir du temps simultané sur tous les télescopes en question (chacun avec son propre commité d'allocation de temps), il est nécessaire d'impliquer un organisme qui a accès à tous les télescopes du Mauna Kea et gère son allocation de temps de manière autonome.

    Une première réunion entre les instituts concernés est organisée par les proposants de la présente demande et aura lieu à Hawaï les 16 et 17 mars 2000. Les participants seront :

    Le but de cette réunion est double. D'un côté, nous voulons initer la discussion entre les différents groupes sur les volets astrophysiques et instrumentaux (sections 3.2 et 3.3). De l'autre coté, nous voulons obtenir une estimation claire de l'intérêt qu'un tel projet suscite chez nos partenaires et donc à quel niveau de participation (financière, technique ou de bonne volonté) nous pouvons nous attendre.

    Notre but est, grâce à la présente demande, de démontrer instrumentalement la faisabilité du projet et de prendre position dans une future collaboration.

    3.3. Intérêt astrohysique

    L'association de très longues bases à de très grandes pupilles confère à cet interféromètre un potentiel scientifique unique. Outre notre motivation technique, notre motivation scientifique première est l'accès à une résolution angulaire de 0,5 milliseconde d'angle sur des objets extragalactiques compacts. L'instrument permettra également d'accéder à des programmes stellaires plus classiques.
     

    3.3.1. Comparaison avec le Keck et le VLTI
    Les bases disponibles pour ces deux interféromètres sont de 130 m (200 m sur le VLTI si l'on ajoute les télescopes auxilliaires de 1,80 m de diamètre). La résolution maximale en K de ces systèmes est donc de 3 millisecondes d'angle (avec les pupilles les plus grandes). Cette résolution devrait permettre de résoudre le tore de poussière des AGN et de résoudre la partie centrale des objets stellaires en cours de formation.

    Les interféromètres du Keck et du VLT sont tous deux fort adaptés à la detection de planètes extra-solaires, aussi bien en termes de sensibilité que de résolution. L'apport d'un facteur 10 en résolution ne permettrait pas forcément d'améliorer la detection de planètes extra-solaires.

    Cependant, il y a plusieurs domaines en astrophysique qui pourraient beneficier d'une résolution de l'ordre de 0,5 mas avec une sensibilité de K~10 que n'auront ni le Keck ni le VLTI. Il s'agit donc de trouver et délimiter " l'espace unique " qu'un tel interféromètre pourrait definir, et de voir quels sont ses points forts. En effet, la recombinaison interférométrique des télescopes géants du Mauna Kea n'aura pas de concurrence directe au sol pendant au moins une ou deux decennies.

    3.3.2. " Espace unique " : les programmes accessibles et originaux
    ULIRGs

    Les galaxies Ultra-Lumineuse IRAS sont en général définies comme ayant une luminosité bolométrique L > 1012 LQ et la majeure partie de ce flux est émis dans l'infrarouge lointain. Ceci est dû aux énormes profondeurs optiques qui nous empêchent de sonder le coeur de ces objets et de comprendre quel processus physique pourrait fournir autant d?énergie. Deux hypothèses sont à considerer : soit il s'agit de noyaux actifs de galaxies (de quasars en formation, au moment où le trou noir engouffre toute la matière qui l'entoure) ou bien il s'agit de phénomènes de flambée d'étoiles intenses et denses (super-starburst). Bien entendu, un mélange de ces deux types d'activité est aussi à considérer car on voit rarement l'un sans l'autre dans les noyaux actifs.

    Par exemple, la galaxie ultra-lumineuse Markarian 231 (Lai et al., 1998) présente au premier abord une version relativement simple, puisque son noyau n'est pas résolu, même avec une résolution de 0.1" (équivalent à 50 pc sur la galaxie), ce qui aurait tendance à favoriser un modèle de type actif (il est en effet difficile de produire de telles luminosités dans un esapce aussi petit : il faut evoquer des densités et des taux de formation d'étoiles gigantesques). On voit aussi à 0.14" au Nord du noyau, une source environ 100 fois moins brillante qui pourrait fort bien s'expliquer par une région de formation d'étoiles à proximité de ce monstre (L ~ 3 x 1012 LQ). On a alors une vision relativement claire de ce noyau, mais une comparaison avec un échantillon de galaxies ultra-lumineuses obtenu dans le domaine radio (Condon et al. 1991) montre que Mrk 231 n?est pas une galaxie ultra-lumineuse " typique ". Parmi les 40 galaxies de l'échantillon en question une seule seulement n'est pas résolue avec une résolution linéaire de 1 pc : Markarian 231 ! Les autres ont des couleurs et des morphologies dans l'infrarouge lointain qui s'expliquent bien mieux avec un modèle de flambée d'étoiles compacte. Se pose alors la question  de savoir si Markarian 231 est à une galaxie ultra-lumineuse dans une brève phase de son evolution ou bien vue sous une géometrie particulière, ou encore un cas réelement particulier. L'étude des noyaux de ces galaxies avec une résolution de 0.5 mas permettra de mesurer la taille des régions ultra-lumineuses, paramètre crucial pour déterminer les processus physiques en jeu.

    AGNs, quasars

    Le modèle unifié des noyaux actifs de galaxie décrit les structures nécessaires pour expliquer les observations spectroscopiques de ces objets (régions de raies étroites, de raies larges, variabilité, etc). Chacune de ces structures est asscoiée à une échelle de grandeur :

    Contraindre la taille d'un disque d'accrétion, obtenir son flux en bande K, voire étudier la morphologie d'une telle structure proche d'un trou noir sont des défis qui seront à la portée d'un interféromètre de base kilométrique doté d'une sensibilité supérieure à K=10 !

    L'on soupçonne que c'est le même phénomène physique qui anime les noyaux actifs de galaxie et les quasars. Les indices en faveur de cette hypothèse proviennent exclusivement d'études spectroscopiques et ne permettent pas réellement de discerner à quel niveau ces objets ne sont que différentes manifestations d'un même phénomène physique sous-jacent. En observant ces objets avec des résolutions toujours meilleures, on espère trouver des structures communes à tous ces objets, validant ainsi l'hypothèse que quasars et AGNs ne sont que différentes phases de l'évolution.
     

    3.3.3. Autres programmes
    L'instrument, compte-tenu de ses capacités supérieures, permettra d'accéder aux programmes des interféromètres Keck et VLTI autres qu'extragalactiques comme l'étude des objets jeunes, la recherche et détection d'exoplanètes et l'étude des étoiles AGB ainsi que post-AGB. L'interféromètre du Mauna Kea n'étant pas absolument nécessaire pour conduire ces programmes (car il offre un gain en résolution seulement, pas en sensibilité), ils ne semblent pas constituer une priorité à nos yeux. Si cet instrument se réalise, certaines sources plus lointaines pourront néanmoins bénéficier de son pouvoir résolvant supérieur.
     
    3.3.4. Comparaison avec l'espace.
    Les seuls concurrents potentiels dans l'espace sont DARWIN/IRSI (ESA), TPF (NASA) et SIM (NASA). La faible taille des pupilles de SIM ne lui confère pas une sensibilité suffisante pour accéder à des sources extragalactiques. DARWIN/IRSI et TPF sont deux projets aux buts et caractéristiques techniques très proches. Bien que leur mission principale soit la caractérisation spectroscopique de planètes extrasolaires telluriques, ils seront également dotés d'un mode imagerie. De bases comparables à celles de l'instrument que nous proposons, ils fonctionneront à des longueurs d'onde plus grande (10-20 µm) et auront donc une résolution 5 à 10 fois plus faible.

    Si SIM est programmé pour la décennie actuelle, aucune décision n'a été prise en ce qui concerne DARWIN /IRSI et TPF tant leur mission première est difficile à réaliser. L'instrument que nous proposons n'a donc pas de concurrents potentiels dans l'espace avant au moins deux décennies.
     

    3.4. Objectifs dans le cadre de l?ATI

    L'objet de la présente demande n'est pas de couvrir la totalité du projet. Il est d'examiner un des points critiques anticipés à savoir l'injection dans une fibre monomode d'un faisceau corrigé par optique adaptative. Les autres points critiques sont le système de ligne à retard pour annuler la différence de marche entre les faisceaux et la transmission et la dispersion des fibres. La criticité de la ligne à retard tient plus à la géographie du lieu (il n'y a pas de tunnel prévu pour l'interférométrie contrairement au site du VLTI) qu'à une difficulté fondamentale. Elle peut par exemple se résoudre en se contraignant à n'observer un objet que lorsque il se trouve proche du méridien de la base ce qui permet d'observer des franges dont la dérive est peu rapide sur une courte distance. En outre, l'atténuation des fibres en verre fluoré est dorénavant assez bien connue et de l'ordre de 1-2 dB/km entre 2 et 2,5 µm. Parallèlement, la dispersion différentielle des fibres peut être annulée en ajustant les longueurs de fibres ainsi que cela a été démontré avec FLUOR.

    Nous proposons d'étudier le problème de l'injection dans une fibre monomode placée au foyer de deux grands télescopes du Mauna Kea équipés d'optique adaptative (TCFH  et Gemini). La très grande résolution de l'interféromètre permettra d'observer des objets très peu résolus mais qui seront également très faibles par comparaison avec les performances en sensibilité des interféromètres actuels (K=6).

    Nous proposons d'aborder deux aspects : une évaluation de la sensibilité future de l'interféromètre (avec comme objectif d?établir un bilan de liaison incorporant tous les autres sous-systèmes de l'instrument), et une étude du couplage dans la fibre de faisceaux provenant d'objets étendus (c'est-à-dire dont l'extension est égale à quelques taches d'Airy), futures cibles scientifiques de l'instrument.

    Cette étude est donc une première étape vers la réalisation de l'instrument qui vise à en démontrer l'intérêt astrophysique ainsi que la faisabilité. À l'issue de l'étude, deux systèmes d'injection seront disponibles pour réaliser le couplage interférométrique du TCFH et de Gemini (la base la plus simple du point de vue de la réalisation de la ligne à retard), ce premier élément ayant une résolution supérieure à celle du VLTI.
     

    3.4.1. Évaluation de sensibilité
    La sensibilité future de l'interféromètre est donnée par l'efficacité d'injection du flux provenant d'une source astronomique dans une fibre monomode. Pour un faisceau sans aberrations dont la taille angulaire est donnée par la diffraction (source non résolue par une pupille unique), le taux d'injection maximum dans une fibre monomode est de 78% (Shaklan et Roddier, 1988). En présence d'aberrations statiques ou dues à la turbulence atmosphérique, ce taux théorique décroît rapidement. Si ces aberrations ne sont pas corrigées, le taux de couplage est de l'ordre d'au plus 1% sur des télescopes de classe 4m dans le proche infrarouge. Lorsque les aberrations sont corrigées par optique adaptative et que le résidu d'aberrations est faible, Coudé du Foresto et al. (2000) ont montré que l'efficacité d'injection est proportionnelle au rapport de Strehl. Un taux d'injection (rapport entre le nombre total de photons captés par le télescope et le nombre de photons injectés dans la fibre) de 20% a été mesuré au foyer du télescope de 3,60m de l'ESO à La Silla avec le système d'optique adaptative ADONIS.

    Le taux de couplage mesuré reste cependant modeste puisque 1,8 magnitude est perdue à l'injection. Plusieurs raisons expliquent ce faible taux : les performances moyennes de l'optique adaptative, l'absence d'optimisation de la correction, des vibrations importantes du télescope.

    Le taux de couplage maximum théorique dans une fibre monomode est, par exemple, de 50% au foyer du TCFH (en raison de l'obstruction centrale importante). Une marge de progrès d'une magnitude est donc possible. L'optique adaptative du TCFH, PUEO, de réalisation plus récente que le prototype ADONIS, a des performances supérieures à ce dernier et permet d'obtenir des rapports de Strehl de meilleure qualité (70% à 2,2µm). Des performances similaires sont anticipées pour l'optique adaptative de Gemini.

    Ruilier (1999) a récemment montré de façon théorique qu'il fallait un contrôle spécifique d'une optique adaptative pour garantir un taux d'injection optimum dans une fibre monomode.

    Nous proposons de réaliser, dans un premier temps, le couplage dans une fibre monomode au foyer du TCFH avec la bonnette d'optique adaptative PUEO afin de mesurer le taux de couplage maximum et d'étudier l'optimisation de l'injection. Nous évaluerons la stabilité du taux de couplage, paramètre déterminant à la fois pour la sensibilité de l'interféromètre mais également pour les futures performances d'un suiveur de franges permettant l'acquisition de franges sur des sources faibles. Nous proposons de réaliser, dans un deuxième temps, le couplage au foyer de l'optique adaptative de Gemini. Ces tests permettront d'évaluer la sensibilité de l'interféromètre.
     

    3.4.2. Étude du couplage grand champ
    Les grandes pupilles conféreront à l'interféromètre une sensibilité donnant accès à des sources faibles : objets stellaires jeunes et objets extragalactiques de type noyaux actifs. La caractéristique commune de ces objets est leur extension angulaire qui est plus importante que le diamètre de la tache d'Airy de télescopes de 4 ou 8 mètres. L'interférométrie "grand champ ", qui ne pose pas de problèmes en radio astronomie, n'a pas encore fait l'objet de développements instrumentaux en optique ou en infrarouge. Des études théoriques ont été conduites mais elles sont en générale de mise en pratique difficile car elles nécessitent des configurations instrumentales contraignantes (optiques de transfert de très grandes dimensions notamment). Avec des guides d'onde monomodes, nous envisageons deux stratégies :

    - sélectionner la partie centrale des objets étendus qui est en général la plus brillante ;

    - injecter un champ plus grand que la tache d'Airy dans un guide d'onde monomode.

    Sélection de la partie centrale

    La difficulté consiste à obtenir une correction du basculement (tip-tilt) la plus stable et précise possible pour que le champ de vue injecté dans la fibre soit en permanence le même de sorte que les faisceaux interférant couvrent les mêmes zones sur le ciel. Un compromis de correction tip-tilt / bas ordres est à trouver pour ce type d'objet avec des contraintes différentes du cas source ponctuelle.

    Un autre ordre de difficulté consiste à évaluer la sensibilité de l'instrument sur des objets étendus et dont le champ électrique au foyer du télescope est différent de celui d'une source ponctuelle qui est limité par la diffraction.

    Nous proposons de réaliser une étude théorique de ces questions ainsi qu'une démonstration pratique. Cette dernière fournira la sensibilité de l'instrument généralisée au cas des objets étendus, résultat original en interférométrie.

    Injection grand champ

    Cette proposition paraît contradictoire puisque le caractère monomode implique un champ de vue correspondant à une tache d'Airy au foyer d'un télescope. La proportionalité à l'inverse du diamètre de télescope implique que le champ d'une fibre monomode projeté sur le ciel couvre un champ de plus en plus grand lorsque le diamètre du télescope diminue. Il n'y a donc pas d'impossibilité fondamentale relative à l'injection d'un champ donné si ce n'est la limite de diffraction. Une première idée consiste à ajuster le grandissement du système optique d'injection de sorte que la dimension du champ à injecter soit de l'ordre du diamètre du coeur de la fibre monomode. Cet ajustement s'accompagne de pertes (on n'est plus à l'optimum pour l'injection d'une source ponctuelle) pour lesquelles il faut mettre au point des stratégies de compensation. Nous proposons d'étudier ces techniques sur le plan théorique et de les tester sur le ciel. Cette approche est également originale en interférométrie mais conditionne l'intérêt des grands réseaux interférométriques pour l'étude à haute résolution angulaire des objets étendus dans les domaines optique et infrarouge. Il est certain que l'intérêt des interféromètres pour les domaines de l'optique et de l'infrarouge restera limité à l'étude d'objets stellaires (ou quasi-stellaires) tant que cette difficulté n'aura pas été résolue.

    Dans un premier temps, le champ restreint facilitera peut-être l'interprétation des données de l'interféromètre. Mais à plus long terme, pour bien appréhender les subtilités des objets observés, il sera nécessaire de comprendre les interactions des phénomènes présents aux différentes échelles, et cela necessitera un champ plus grand que ce qui est possible actuellement. L'augmentation du champ multipliera les applications de l'interférométrie infrarouge de même façon que l'interférométrie radio a pu en bénéficier.
     

    4. Plan de réalisation

    4.1. Étude théorique

    La partie théorique pourra être conduite sur les six premiers mois du projet. Elle sera complétée une fois les tests sur télescopes faits pour comparaison avec les résultats expérimentaux. Elle comprend l'injection d'une source ponctuelle et l'extension du champ injecté.

    4.2. Tests

    Afin de préparer les tests, une étude technique est nécessaire afin de définir l'interface à réaliser pour placer une fibre au foyer du TCFH et à celui de Gemini. Cette étude nécessitera une mission pour Guy Perrin sur le site du Mauna Kea et elle se déroulera dans les premières semaines du projet.

    Un test sera d'abord conduit sur le TCFH sur le temps d?observation dont dispose Olivier Lai en tant qu'astronome résident. Il s'agira d'optimiser en priorité le contrôle de l'optique adaptative PUEO pour injecter au mieux dans une fibre monomode de la lumière provenant d'une source ponctuelle. L'injection grand champ sera la deuxième priorité.

    Un second test sera conduit sur Gemini durant la phase d?essai de son optique adaptative (des contacts ont été pris). L'accent sera mis sur l'injection grand champ.

    À l'issue de ces tests, la sensibilité de l'interféromètre comprenant au minimum la base reliant le TCFH et Gemini sera connue et l'on pourra ainsi définir son intérêt réel, notamment vis-à-vis d'un télescope unique de taille équivalente.
     

    5. Demande de financement

  • 5.1. Equipement
  • 5.2. Missions

  • Missions :
  • 1 mission technique d'évaluation et de pré-étude 10 kF
  • 1 mission d'observation CFH 10 kF
  • 1 mission autre télescope 10 kF
  • Présentations dans des colloques :
  • 1 présentation Olivier Lai. 5 kF
  • 1 présentation Guy Perrin. 5 kF
  • Total : 240 kF

    5.3. Investissements et coûts induits

    L'instrumentation développée pourra être la base du futur interféromètre. Si le projet global est réalisé, son financement devra être assuré par un consortium regroupant les télescopes du Mauna Kea impliqués. Le coût total est difficilement chiffrable. Il sera sans doute réduit puisqu'une partie importante de l?infrastructure sera présente et déjà financée (télescopes et optique adaptatives). Il restera à financer l'instrument de recombinaison des faisceaux et les lignes à retard. Un coût global partagé de l?ordre de quelques dizaines de MF est sans doute un ordre de grandeur correct.

    Une démarche progressive peut être envisagée pour réaliser l'instrument par tronçons. Un premier couplage Gemini-TCFH permettrait de réaliser un instrument à fort potentiel scientifique à coût modéré. Il pourrait être réalisé avec une ligne à retard rudimentaire (100 kF) et au prix de l'achat d'un coupleur monomode et d?environ 200 m de fibre optique (100 à 200 kF). Ce projet pourrait se réaliser dans le cadre d?une thèse de doctorat qui, à notre sens, conduirait potentiellemet à un travail de grande qualité et à forte originalité.
     

    6. Références

    J.J. Condon, Z.-P. Huang, Q.F. Yin, T.X. Thuan, " Compact starbursts in ultraluminous infrared galaxies ", 1991, ApJ, 378, 65.

    V. Coudé du Foresto, M. Faucherre, N. Hubin, A&AS, sous presse

    O. Lai, D. Rouan et al., " Adaptive Optics observations of ultra-luminous infrared galaxies I. J, H, K images of MKN 231 ", 1998, A&A 334, 783

    J.-M. Mariotti, V. Coudé du Foresto, G. Perrin et al., 1996, " Interferometric connection of large ground-based telescopes ", A&AS 116, 381

    G. Perrin, V. Coudé du Foresto, S.T. Ridgway, et al., " Extension of the effective temperature scale of giants to types later than M6 ", 1998, A&A 331, 619

    F. Roddier, 1997, NSF grant proposal.

    F. Roddier & S.T. Ridgway, " Filling factor and signal to noise ratios in optical interferometric arrays ", 1999, PASP, 111, 990.

    D. Rouan, F. Rigaut, D. Alloin, R. Doyon, O. Lai et al., " Near-IR images of the torus and micro-spiral structure in NGC 1068 using adaptive optics ", 1998, A&A 339, 687.

    C. Ruilier, 1999, thèse de l'université Paris 7, " Filtrage modal et recombinaison de grands télescopes. Contributions à l'instrument FLUOR "

    S. Shaklan, F. Roddier, 1988, Appl. Opt. 27, 2334
     
     

    7. Liste des acronymes

    ADONIS : ADaptive Optics Near-Infrared System

    DESPA : Département de Recherche Spatiale de l?Observatoire de Paris

    ESO : European Southern Observatory

    FLUOR : Fiber Linked Unit for Optical Recombination

    IRSI : InfraRed Space Interferometer

    IRTF : InfraRed Telescope Facility

    MAXAT : MaXimum Aperture Telescope

    MIDI : Mid Infrared Instrument

    NOAO : National Optical Astronomy Observatory

    OWL : OverWhelmingly Large telescope

    PUEO : Probing the Universe with Enhanced Optics (hibou en polynésien)

    SIM : Space Interferometric Mission

    TCFH : Télescope Canada-France-Hawaï

    TPF : Terrestrial Planet Finder

    UH : Université de Hawaï

    VINCI : VLTI Near-Infrared Commissioning Instrument

    VLTI : Very Large Telescope Interferometer



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