Une innovation télescopique offre une vision plus nette de l’univers

Holly Ober

Points clés

• La capacité d’observer des objets spatiaux lointains avec précision est limitée par la taille du télescope, donc les détails les plus fins sont généralement obtenus en reliant plusieurs télescopes. Une équipe d’astronomes dirigée par l’UCLA a utilisé un dispositif appelé « lanterne photonique » sur un seul télescope pour obtenir l’observation la plus détaillée à ce jour de l’étoile bêta du Petit Chien.

• La lanterne photonique divise la lumière collectée par le télescope en plusieurs canaux selon le « mode » spatial, puis des techniques computationnelles reconstruisent une image haute résolution à partir des sorties de la lanterne.

• Cette nouvelle approche permettra aux astronomes et astrophysiciens d’observer des objets plus petits et plus lointains que jamais, révélant des réponses à certains mystères.

Une nouvelle technique d’imagerie utilisée pour la première fois sur un télescope terrestre a permis à une équipe d’astronomes dirigée par l’UCLA d’obtenir la mesure la plus précise jamais réalisée du disque entourant une étoile, révélant des structures jusqu’alors invisibles. Cette percée ouvre une nouvelle voie pour étudier les détails fins d’objets astronomiques variés et laisse entrevoir de nouvelles découvertes sur l’univers.

La capacité à observer les détails des objets astronomiques dépend de la taille du télescope. Plus l’ouverture d’observation est grande, plus la lumière collectée révèle d’objets faiblement lumineux et plus les images deviennent nettes. Les détails les plus fins sont obtenus en reliant des télescopes en réseaux. Construire de plus grands télescopes ou les associer en réseaux a été crucial pour obtenir les images haute résolution nécessaires à la découverte de nouveaux détails aux échelles les plus fines visibles dans le ciel.

Grâce à la nouvelle lanterne photonique, il est possible de mieux utiliser la lumière collectée par un télescope pour atteindre une haute résolution. Les détails de cette réalisation sont publiés dans la revue Astrophysical Journal Letters.

« En astronomie, les images les plus nettes sont généralement obtenues en reliant des télescopes. Mais nous l’avons fait avec un seul télescope en injectant sa lumière dans une fibre optique spécialement conçue, appelée lanterne photonique. Ce dispositif sépare la lumière stellaire selon ses motifs de fluctuation, préservant des détails subtils autrement perdus. En réassemblant les mesures des sorties, nous avons pu reconstruire une image très haute résolution du disque autour d’une étoile proche« , a déclaré Yoo Jung Kim, premier auteur et doctorant à l’UCLA.

La lumière collectée par le télescope est divisée par la lanterne photonique en plusieurs canaux selon la forme du front d’onde – comme séparer un accord en notes musicales individuelles – puis encore divisée par couleur, comme un arc-en-ciel. La lanterne photonique elle-même a été conçue et fabriquée par l’Université de Sydney et l’Université de Central Florida, et fait partie du nouvel instrument FIRST-PL développé et dirigé par l’Observatoire de Paris et l’Université d’Hawaï. Cet instrument est intégré au système SCExAO du télescope Subaru à Hawaï, opéré par l’Observatoire astronomique national du Japon.

« Ce qui m’enthousiasme le plus, c’est que cet instrument combine la photonique de pointe avec l’ingénierie de précision réalisée ici à Hawaï« , a ajouté Sébastien Vievard, membre du Space Science and Engineering Initiative à l’Université d’Hawaï ayant participé à sa construction. « Cela montre comment la collaboration mondiale et interdisciplinaire peut littéralement changer notre vision du cosmos. »

Cette approche, consistant à séparer la lumière en ses différentes composantes, permet une technique d’imagerie innovante capable d’atteindre une résolution plus fine que les méthodes traditionnelles.

« Pour tout télescope d’une taille donnée, la nature ondulatoire de la lumière limite la finesse des détails observables avec les caméras d’imagerie traditionnelles. C’est ce qu’on appelle la limite de diffraction, et notre équipe travaille à utiliser une lanterne photonique pour repousser les frontières du possible« , a expliqué Michael Fitzgerald, professeur de physique et d’astronomie à l’UCLA.

« Ce travail démontre le potentiel des technologies photoniques pour permettre de nouveaux types de mesures en astronomie« , a commenté Nemanja Jovanovic, co-directeur de l’étude au California Institute of Technology. « Nous ne faisons que commencer. Les possibilités sont vraiment excitantes. »

Lors de l’application de cette nouvelle méthode, les scientifiques ont d’abord été gênés par la turbulence atmosphérique terrestre. Cet effet, similaire à l’ondulation de l’horizon par une chaude journée d’été, fait fluctuer et vaciller les objets observés through le télescope. Pour corriger ces effets, l’équipe du télescope Subaru a utilisé l’optique adaptative, qui compense continuellement les turbulences pour stabiliser les ondes lumineuses en temps réel. Par nécessité, les chercheurs sont allés plus loin, recherchant une clarté optimale.

« Nous avons besoin d’un environnement très stable pour mesurer et récupérer l’information spatiale en utilisant cette fibre« , a précisé Jung Kim. « Même avec l’optique adaptative, la lanterne photonique était si sensible aux fluctuations du front d’onde que j’ai dû développer une nouvelle technique de traitement des données pour filtrer la turbulence atmosphérique résiduelle.« 

L’équipe a utilisé le télescope Subaru équipé de la lanterne photonique pour observer l’étoile bêta du Petit Chien (β CMi). Cette étoile, située dans la constellation du Petit Chien à environ 162 années-lumière de la Terre, est entourée d’un disque d’hydrogène. Le disque tourne si rapidement autour de l’étoile que le gaz se déplaçant vers nous apparaît plus bleu, tandis que le gaz s’éloignant paraît plus rouge. Ceci est dû à l’effet Doppler, qui explique aussi la hauteur plus élevée du son d’une voiture approchant et plus basse d’une voiture s’éloignant. Ce décalage couleur fait légèrement bouger la position apparente de la lumière du système avec la longueur d’onde.

En appliquant de nouvelles techniques computationnelles, l’équipe a mesuré ces déplacements d’image dépendants de la couleur avec une précision environ cinq fois supérieure à ce qui était possible auparavant. Au-delà de la confirmation de la rotation du disque, ils ont découvert que le disque était asymétrique.

« Nous ne nous attendions pas à détecter une telle asymétrie, et ce sera aux astrophysiciens modélisant ces systèmes d’expliquer sa présence« , a conclu Jung Kim.

Cette nouvelle approche d’imagerie permettra aux astronomes et astrophysiciens d’observer des détails d’objets plus petits et plus lointains que jamais, apportant des réponses à certains mystères et, comme dans le cas du disque asymétrique autour de β CMi, soulevant de nouvelles énigmes à résoudre.