Très Grand Télescope (ELT): la plus grande merveille de l'astronomie

Le Très Grand Télescope (ELT) battra des records astronomiques

Les progrès de l’astronomie sont en grande partie synchronisés avec les avancées techniques dans la fabrication des télescopes. Des premiers modèles fabriqués à la main par Galilée, à la prouesse technologique issue de la collaboration internationale d’aujourd’hui, cela reste vrai.

Une autre étape a consisté à déplacer les télescopes hors de la Terre et en orbite, comme avec le télescope Hubble et plus récemment avec le télescope spatial James Webb (suivez le lien pour une analyse détaillée de ce méga‑projet scientifique).

La raison pour laquelle les télescopes spatiaux sont plus efficaces est qu’ils sont immunisés contre les interférences de l’atmosphère terrestre et des conditions météorologiques, qui peuvent réduire la qualité de l’image.

Cependant, les télescopes terrestres conservent certains avantages par rapport aux télescopes spatiaux. Notamment, leur taille potentielle, car le lancement de gros équipements en orbite reste une tâche extrêmement complexe et coûteuse.

L’alimentation électrique, la maintenance et les mises à jour techniques sont également beaucoup plus faciles à réaliser au sol, tandis que les télescopes spatiaux sont pratiquement impossibles à réparer ou à modifier ultérieurement, surtout les télescopes situés à des millions de kilomètres de la Terre, comme le télescope spatial James Webb.

Encore en construction, un projet appelé le Très Grand Télescope (ELT) démontre le potentiel des télescopes au sol. Basé au Chili, il sera le plus grand télescope jamais construit, plusieurs fois plus grand que le précédent record, et représente une merveille d’ingénierie.

Une longue lignée de grands télescopes chiliens

L’ELT est le dernier projet de la communauté internationale d’astronomes visant à déchiffrer les mystères de l’Univers.

Dans la même zone que l’ELT se trouve l’Observatoire de Paranal, exploité par l’Observatoire européen austral (ESO), à 23 kilomètres (14 miles) du site de construction de l’ELT.

Source: ESO

Paranal est le site du Très Grand Télescope (VLT), ancêtre du Très Grand Télescope (ELT), maintenant en construction. Le VLT est exploité depuis 1998 par l’ESO, et utilisait à l’époque un miroir primaire record de 8,2 mètres (27 ft) de diamètre.

L’ELT dépassera le VLT, avec un miroir segmenté primaire de 39,3 mètres de diamètre (130 pieds).

Pourquoi le Chili ?

Le même site chilien est utilisé par l’Observatoire Vera C. Rubin, un télescope d’enquête observant l’ensemble du ciel visible en une fois, et utilisant une IA avancée pour détecter les changements d’activité des étoiles.

L’ELT sera également situé au Chili, qui possède certaines des meilleures conditions pour l’astronomie.

Le site choisi bénéficie de 270 nuits claires en moyenne par an.

Vera C. Rubin, le VLT et bientôt l’ELT sont tous situés en haute altitude, l’ELT étant construit à 3 046 m (9 993 ft) au-dessus du niveau de la mer.

Cerro Armazones culminait autrefois à 10 052 pieds (3 064 m) au-dessus du niveau de la mer, mais en juin 2014, le sommet a été démoli pour aplanir le sommet en vue de la construction, réduisant sa hauteur de 60 pieds (18 m) et retirant environ 220 000 m³ de roche (263 000 yd²).

Source: ELT

Cette haute altitude aide à réduire les perturbations atmosphériques, renforcée par l’humidité très faible de la région désertique, et offre également un site plutôt isolé, loin de la pollution lumineuse des grandes villes.

Le site de Cerro Armazones, situé dans le désert sec du Chili à haute altitude, le rend idéal pour les observations astronomiques.

L’altitude du site au-dessus du niveau de la mer ne pose pas de problèmes logistiques pour les opérations, tout en répondant aux exigences scientifiques en matière de faible vapeur d’eau précipitée et de basses températures de fonctionnement.

Les précipitations annuelles sont de l’ordre de 100 mm, avec une humidité relative médiane de 15 %.

Aperçu de l’ELT

Construction

Discuté depuis 2005, le projet ELT a démarré en 2010, lorsque plusieurs sites au Chili et dans d’autres pays (Argentine, Îles Canaries, Maroc, Antarctique) ont d’abord été envisagés, avant que le sommet du mont Cerro Armazones ne soit choisi, en partie à cause de sa proximité avec l’infrastructure existante de l’Observatoire de Paranal.

Source: ELT

En 2012, le projet a été approuvé par le Conseil de l’ESO, et les travaux de construction ont commencé en 2014.

Initialement appelé le Télescope Européen Extrêmement Grand (E-ELT), le nom du projet a été raccourci en ELT en 2017.

La construction a atteint le cap des 50 % en 2023, et le premier segment du miroir a commencé à arriver au Chili en 2024, le miroir secondaire devant être achevé en 2025.

Des progrès supplémentaires sont attendus en 2026 avec la structure enfin terminée, et en 2027 avec les miroirs tertiaires ainsi que les M4 et M5 achevés, ainsi que le miroir primaire principal.

L’ELT devrait recevoir sa « première lumière » en 2029 et ses premières observations scientifiques en 2030. Il devrait fonctionner pendant plus de 30 ans à partir de ce moment.

Source: Cosmos Magazine

Dans l’ensemble, la construction entière est massive, presque aussi haute et bien plus grande que la Statue de la Liberté.

Source: Space.com

Durant cette phase initiale, les options de conception ont été discutées par les scientifiques et les pays partenaires du projet.

Le design actuel a été privilégié par rapport à un concept plus ambitieux mais moins réaliste, le Télescope Extrêmement Grand (Overwhelmingly Large Telescope), avec un miroir massif de 100 m (328 ft) de diamètre, jugé trop coûteux et trop complexe à construire.

Bien que la plupart des problèmes techniques soient désormais résolus, il s’agissait d’une entreprise complexe, rassemblant le travail de plus de 170 scientifiques, organisés en plusieurs groupes de travail, créant une simulation du futur télescope et de la manière d’optimiser sa capacité de génération d’images.

Source: ELT

Au total, le coût prévu de l’ELT est d’environ 1,45 milliard d’euros, son budget étant déjà entièrement assuré.

Objectifs de l’ELT

Le Très Grand Télescope est conçu pour répondre à certaines des plus grandes questions de l’astronomie. Ses principaux objectifs scientifiques comprennent :

1. Le Système solaire

Étudier les atmosphères des géantes gazeuses, l’activité volcanique sur les lunes de Jupiter et Saturne, la ceinture d’astéroïdes et les objets gelés de la ceinture de Kuiper.

2. Exoplanètes

Imager directement des planètes rocheuses dans les zones habitables et analyser leurs atmosphères à la recherche de vapeur d’eau, d’oxygène et de méthane à l’aide du spectrographe ANDES.

3. Étoiles

Étudier comment les étoiles se forment et évoluent dans différents environnements.

4. Trous noirs

Suivre les étoiles en orbite proche de Sagittarius A* afin de mieux comprendre le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée.

5. Galaxies

Identifier des galaxies extrêmement lointaines et approfondir les découvertes réalisées par le Télescope spatial James Webb.

6. Matière noire

Explorer le lien entre la matière noire et les sursauts gamma.

7. Physique fondamentale

Tester si les constantes de la nature, telles que la vitesse de la lumière et le rapport masse proton/électron, ont changé au cours du temps cosmique.

8. Surprises à venir

À l’instar de la découverte inattendue de l’énergie sombre par Hubble en 1998, l’ELT pourrait révéler des phénomènes entièrement nouveaux.

Spécifications techniques de l’ELT

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Le miroir principal de l’ELT, d’un diamètre de 39,3 m (128 ft), sera construit à l’aide de 798 segments hexagonaux, ce qui donnera une surface de collecte de lumière de 978 m² (10 527 ft²).

Ensemble, tous les miroirs de l’ELT consommeront 140 tonnes de verre-céramique Zerodur (verre-céramique lithium-aluminosilicate), un produit appartenant à l’entreprise allemande Schott AG, filiale de la Fondation Carl Zeiss, experte en technologie de fonderie de verre de précision.

Source: ELT

Ce télescope est conçu pour capter et analyser la lumière visible et proche infrarouge. Il capturera 20 fois plus de lumière qu’une unité du VLT, 8 000 000 fois plus de lumière que le télescope de Galilée, et 100 millions de fois plus que l’œil humain.

• 30 millions de boulons ont été utilisés pour la structure du dôme, qui pèse 6 100 tonnes.
• La structure principale pèse autant que 3 700 tonnes, et un total de 10 000 tonnes d’acier sera utilisé.
• Les télescopes et les systèmes associés utilisent 500 km (310 miles) de câbles électriques et 1 500 km (930 miles) de fibres optiques.

Source: ELT

Miroirs de l’ELT

L’ELT utilisera une conception à 5 miroirs qui agrandira les images stellaires via un système complexe, reflétant finalement l’image en un point donné.

Le miroir M1 capte la lumière stellaire, puis la redirige vers le miroir convexe M2, le plus grand miroir secondaire jamais utilisé sur un télescope, qui reflète l’image sur le M3.

L’image est ensuite envoyée au miroir plat adaptatif (M4) au-dessus, qui ajustera sa forme mille fois par seconde pour corriger les distorsions causées par la turbulence atmosphérique.

Enfin, l’image est dirigée vers le M5, un miroir plat inclinable qui stabilisera l’image et la transmettra aux instruments de l’ELT.

M1

Ce miroir, avec ses 798 segments hexagonaux individuels, chacun mesurant 1,4 m de largeur. Chaque composant pèse 250 kg et fait environ 5 cm d’épaisseur (2 inches).

Source: ELT

Comme chaque composant doit fonctionner comme un miroir unifié, leur position doit être contrôlée avec une extrême précision. Ils doivent maintenir une précision de quelques dizaines de nanomètres (10 000 fois plus fin qu’un cheveu humain) sur l’ensemble du diamètre de 39 m.

Pour éviter qu’ils ne se déforment ou ne subissent l’expansion thermique, chaque segment est soutenu par un whiffletree à 27 points, un mécanisme qui répartit uniformément le soutien à l’arrière du segment en utilisant 27 points de contact sur sa surface.

Au total, le miroir utilise 2 500 actionneurs de positionnement (PACTs) et 9 000 capteurs de bord pour maintenir chaque élément du miroir parfaitement aligné les uns avec les autres.

M2 & M3

Ces deux miroirs courbes sont utilisés pour former une image exploitable à partir de la lumière collectée par le miroir M1.

Le M2 est un miroir de 4,25 m de diamètre, le plus grand miroir secondaire optique jamais utilisé sur un télescope.

Le M3 a un diamètre de 4 m, et chacun pèse jusqu’à 3 tonnes.

Source: ELT

Une difficulté supplémentaire était de suspendre le M2 à l’envers au-dessus du M1, à 60 m du sol.

Pour aligner le miroir M2, l’ensemble sera déplacé à l’aide de six actionneurs de position (hexapodes). La précision relative de cet hexapode, qui se déplacera toutes les quelques minutes, se situe dans la gamme du sous‑µm.

M4

Le M4 est le plus grand miroir adaptatif jamais construit et corrigera la turbulence atmosphérique ainsi que les vibrations résiduelles du télescope lui‑même.

« Miroir adaptatif » signifie que sa surface peut être déformée, grâce à plus de 5 000 actionneurs modifiant la forme du miroir jusqu’à 1 000 fois par seconde.

Le miroir M4 utilise le même principe qu’un haut‑parleur ; le miroir est constitué d’une coquille très fine lévitant à 90 microns de sa surface de référence (cela correspond à l’épaisseur d’une feuille de papier A4 standard), et il agit comme une membrane qui se déforme sous l’effet d’environ 5 000 actionneurs à bobine mobile.

Le M4 mesure 2,4 m de diamètre (8 ft). Il sera composé de six miroirs segmentés fins, chacun d’une épaisseur de seulement 1,95 mm (0,1 inch) et fabriqué en verre céramique.

Pour déterminer les corrections nécessaires, le télescope créera des « étoiles artificielles dans le ciel » en utilisant des lasers puissants pour exciter les atomes de sodium dans la haute atmosphère terrestre et mesurer leur flou. Plus les lasers sont puissants, plus ils excitent d’atomes de sodium, rendant l’étoile artificielle plus brillante et améliorant la correction de la turbulence.

Source: ELT

M5

Ce miroir est chargé d’envoyer l’image finale, corrigée des interférences par le M4, à la caméra numérique qui enregistre l’image capturée.

Le M5 sera un miroir plat et elliptique mesurant 2,7 × 2,2 m, construit à partir de six segments légers en carbure de silicium soudés ensemble.

L’unité stabilise également les mouvements d’image, induits par les mécanismes du télescope et les vibrations dues au vent, en ajustant les angles d’inclinaison du miroir à une précision de quelques dizaines de milli‑arcsecondes.

Partenaires de l’ELT

Pour gérer la production de ces mécanismes de contrôle ultra‑précis et du « verre » tout aussi ultra‑spécialisé, des partenaires industriels, principalement des entreprises européennes, ont été essentiels au projet.

Parmi les plus déterminants, clés dans la production du verre puis son polissage à la précision requise, figuraient respectivement l’entreprise allemande Schott AG, et la française Safran. VDL ETG Projects B.V. aux Pays‑Bas est responsable de la production et du test des supports de segment, qui constituent l’épine dorsale du miroir.

De nombreux autres partenaires industriels et académiques de l’ELT ont fourni la conception, le transport, la construction, les équipements spéciaux, les outils de mesure, les dispositifs mécaniques, les échangeurs de chaleur, les caméras, etc.

Source: ELT

Instruments de l’ELT

En plus du miroir capturant la lumière des planètes et étoiles lointaines, de nombreux instruments analyseront cette lumière pour permettre aux scientifiques de l’étudier. L’instrument le plus important pour l’ELT sera :

• MORFEO (Relais d’optique adaptative multiconjugée pour les observations de l’ELT) : cet instrument ne prendra pas d’image lui‑même, mais aidera à compenser la distorsion de la lumière causée par la turbulence de l’atmosphère terrestre qui rend les images astronomiques floues.
• HARMONI (Spectrographe intégral optique monolithique à haute résolution angulaire et proche infrarouge) : cet instrument peut décomposer à haute résolution une image en segments séparés, et analyser pour chacun les longueurs d’onde individuelles à l’aide d’un spectrographe puissant, révélant la composition des planètes et des étoiles.
• MICADO (Caméra d’imagerie multi‑AO pour observations profondes) : elle prendra des images à haute résolution de l’Univers aux longueurs d’onde proche infrarouge, aidant à identifier les exoplanètes, à distinguer les étoiles individuelles dans d’autres galaxies, et à étudier le centre mystérieux de la Voie lactée.
• METIS (Imager et spectrographe ELT mid‑infrarouge) : un imager et spectrographe fonctionnant dans la gamme de longueurs d’onde mid‑infrarouge. Son rôle sera d’analyser les propriétés physiques et chimiques d’objets stellaires aussi divers que les exoplanètes, le Système solaire, les disques circumstellaires et les régions de formation d’étoiles, les naines brunes, le centre de la Voie lactée, l’environnement des étoiles évoluées, et les noyaux galactiques actifs.
• ANDES (Spectrographe à haute dispersion ArmazoNes) : un spectrographe haute résolution puissant qui sera utilisé pour la détection de signatures de vie sur des exoplanètes semblables à la Terre, la recherche des étoiles les plus anciennes de l’Univers, le test d’éventuelles variations des constantes fondamentales de la physique, et la détection directe de l’accélération de l’expansion de l’Univers.
• MOSAIC: Ce spectrographe multi‑objets peut étudier jusqu’à 100 cibles simultanément, et sera utilisé pour tracer la croissance des galaxies et la distribution de la matière depuis le Big Bang jusqu’à aujourd’hui. Il offrira également des synergies avec les futures installations multi‑longueurs d’onde (dont Euclid, Rubin, Roman, SKAO).

Ce que l’ELT signifie pour l’astronomie

L’ELT sera le plus grand télescope du monde, et pourrait le rester pendant au moins une décennie, les projets concurrents étant retardés.

Cela en fera l’un des instruments astronomiques les plus importants, et probablement la source d’aperçus sur les exoplanètes rocheuses, les lacunes de nos modèles cosmologiques, et une compréhension bien plus profonde de notre propre système solaire, comme les lunes encore mystérieuses (mais géologiquement actives) de Saturne et Jupiter.

C’est également une réalisation technique remarquable, repoussant les limites du possible et démontrant la valeur scientifique des méthodes de fabrication ultra‑précises, des verres spécialisés et des instruments de mesure à l’échelle du nanomètre.

Tout cela est également crucial pour le développement d’ordinateurs photoniques et quantiques supérieurs, de lasers, d’imprimantes 3D, etc.

Investir dans l’optique avancée

Corning Incorporated

Alors que les télescopes repoussent les limites de la fabrication de précision en verre avancé, cela ouvre également de nombreuses possibilités industrielles dans des secteurs aussi divers que l’automobile, les semi‑conducteurs, l’IA, la défense, la biotechnologie et la santé. Le marché de l’optique avancée représente 310 milliards de dollars, avec une croissance prévue de 9,2 % CAGR jusqu’en 2032.

Corning est une entreprise de verre et d’optique qui existe depuis 170 ans. Au cours de son histoire, elle a produit les premières ampoules en verre pour l’éclairage électrique de Thomas Edison, la première fibre optique à faible perte, les substrats cellulaires qui permettent les catalyseurs, et le premier verre de protection résistant aux dommages pour les appareils mobiles.

Source: Corning

Aujourd’hui, l’entreprise se concentre sur les technologies de base liées à la fabrication du verre et de la céramique, ainsi que sur les technologies de physique optique, qui partagent des processus de fabrication et des marchés finaux communs.

Source: Corning

Cette interconnexion des technologies permet à l’entreprise de partager des capacités communes de fabrication, de recherche et d’ingénierie entre ses différentes gammes de produits. Avec plus de 52 000 employés, plus de 77 sites de production dans le monde et plus de 10 centres de R&D, l’entreprise est un acteur majeur dans son créneau.

Source: Corning

L’entreprise bénéficie du boom de l’IA et de la construction de centres de données (fibres optiques), ainsi que de la consommation globale de verre spécialisé dans les écrans et la biotechnologie.

Corning ne devrait pas être fortement affectée par les tarifs, car 90 % des revenus américains proviennent de produits d’origine américaine. Très peu des ventes réalisées en Chine proviennent d’installations américaines, 80 % des ventes chinoises étant réalisées en Chine.

Les tarifs pourraient même aider, car Corning pénètre le marché des panneaux solaires, avec le contrôle stratégique de Hemlock Solar, afin de produire des panneaux fabriqués aux États‑Unis, alors que les panneaux solaires asiatiques (pas seulement chinois) sont soumis à des tarifs à quatre chiffres. 80 % de la capacité a déjà été sécurisée grâce aux engagements des clients.

L’énergie solaire a beaucoup de sens pour l’entreprise, le silicium étant au cœur de son expertise de fabrication, ayant produit du polysilicium pendant 60 ans, y compris du silicium ultra‑pur (99,9999999999 % pur) et lançant maintenant la production de plaquettes de silicium, un produit importé à 100 % aux États‑Unis.

Source: Corning

L’entreprise explore également d’autres technologies avancées où son expertise en verre et céramique pourrait offrir un avantage solide, notamment le verre pliable, la réalité augmentée, la capture du carbone, etc.

Source: Corning

Dans l’ensemble, Corning est une entreprise très technique avec une fabrication localisée qui ne devrait pas être affectée par la déglobalisation. Elle s’ouvre également à de nouveaux marchés correspondant à ses compétences de base, notamment le solaire et la communication optique / l’infrastructure IA. Cela en fait à la fois une entreprise relativement conservatrice, creusant davantage son créneau, mais aussi une action à fort potentiel de croissance sur les marchés de haute technologie.

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