Actuellement en construction au Chili depuis juillet 2014, le télescope américain LSST pourrait bien révolutionner l'observation astr...

LSST (Large Synoptic Survey Telescope) : un nouveau Télescope à la pointe de la Technologie !

mercredi, janvier 24, 2018 0 Comments

Actuellement en construction au Chili depuis juillet 2014, le télescope américain LSST pourrait bien révolutionner l'observation astronomique et conduire à une surveillance du ciel sans précédents, en imageant la totalité du ciel austral en seulement trois nuits.

Vue d'artiste du LSST, au sommet du Cerro Pachon (2 715 mètres) au Chili. Source : https://www.lsst.org/

Le LSST devrait fournir ses premières images en 2019 et débuter ses premières campagnes scientifiques en 2022. Elles auront comme thèmes, l'étude de la matière noire, les quasars, supernovae, étoiles variables, lentilles gravitationnelles et à plus large échelle, la structure de l'Univers et de la Voie Lactée.

Vidéo de présentation du télescope LSST


Nous vous proposons dans cet article :
Premièrement, de décrire les caractéristiques techniques exceptionnelles de ce projet LSST initié par l'organisation américaine AURA, avant de découvrir, dans un deuxième temps, comment cette innovation peut considérablement appuyer et dynamiser la science astrophysique.

Plan Interactif :

★ Introduction : un condensé de Technologie

★ L'optique du LSST

★ La caméra du LSST

★ Le LSST au service de l'astrophysique


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★ Un condensé de technologie ★ 


L'abréviation LSST signifie "Large Synoptic Survey Telescope" . L'atout exceptionnel de ce télescope de 8,4 mètres de diamètre installé au Chili (Cerro Pachon) est sa vision large décrite par le mot dérivé du grec "Synoptic". En effet, le champ que recouvre une image de ce télescope sera l'équivalent de 40 pleines lunes et sera obtenue en 15 secondes seulement.

La vision du LSST est à la fois large et profonde, puisque sa caméra dispose de la modeste résolution de 3,2 Milliards de pixels, soit l'une des caméras les plus résolues au monde.

Infographie du projet LSST . Source : AstroSpace (visuel) et LSST (données)

Avec de telles performances, le LSST pourra recouvrir la totalité du ciel visible depuis le Chili en 4 voire 3 nuits d'observation seulement et pourra alerter la communauté astronomique d'un éventuel changement dans le ciel en 60 secondes. En 10 ans, le LSST devrait répertorier environ 37 Milliards d'étoiles, de galaxies...

Le coût global de ce projet plafonne à 850 millions de dollars, dont la majeure partie a été financée par 35 membres institutionnels ainsi que plusieurs autres notables institutions privées (Bill Gates, W.M Keck ...).


★ L'optique ★ 

La construction optique n'est pas ordinaire à celles que l'on trouve sur des télescopes semi-amateurs (Newton, Schmidt-Cassegrain, Richtey-Chrétien...). Le LSST est basé sur la formule optique d'un "Paul Baker", c'est-à-dire composé de 3 miroirs dont 2 formés sur le même bloc de verre (voir image ci-dessous).
Design optique du télescope LSST. Source : https://www.lsst.org
Cette structure dominée par le miroir primaire de 8,4 de diamètre le rend très compact et lui permet d'atteindre un rapport F/D égal à 1,23 ! Ce rapport exprime la distance focale du télescope (grossissement) divisé par son diamètre. Plus ce rapport est petit, plus la quantité de lumière récoltée est importante. Avoir un rapport F/D aussi faible en optique signifie également une augmentation des défauts des miroirs. Il est donc indispensable d'y apporter une correction.
La monture actionnant le télescope permettra un pointage vers un objet
en seulement 5 secondesSource : https://www.lsst.org/

Le LSST dispose effectivement d'une correction optique située en amont de sa caméra. Composée de 3 lentilles, ce système permet d'obtenir une image plane où les aberrations optiques des miroirs sont négligeables devant les aberrations atmosphériques. Le LSST ne sera donc pas équipé d'une optique adaptative pour corriger les perturbations atmosphériques, mais d'une optique active permettant de corriger les défauts optiques engendrés par la variation de température et la gravité terrestre.


Le télescope auxiliaire en construction (premier plan).
Source : https://www.lsst.org/
Afin de corriger ces fameuses perturbations atmosphériques, un télescope auxiliaire de 1,2 mètres de diamètre sera placé à côté du LSST (photo ci-dessus). Le principe étant de faire des relevés atmosphériques que les scientifiques soustrairont aux images brutes obtenues avec le LSST.


Avant d'arriver sur le capteur de la caméra, la lumière sera filtrée et décomposée au travers de 6 filtres interférentiels à larges bandes passantes, couvrant ainsi le domaine du proche infrarouge jusqu'au proche ultra-violet. Pour pouvoir inter-changer un à un ces filtres de 78 cm de diamètre, un système a été développé par des chercheurs et ingénieurs français de l' IN2P3 (image animée ci-dessous).

Animation du système de changement de filtres.
Source : National Accelerator Laboratory
Une collaboration Française
En plus du système de filtres, le laboratoire IN2P3 participe également à l'élaboration des capteurs et de l'électronique de commande de la caméra, de son logiciel de contrôle ainsi que de son intégration et test !


★ La caméra : tout en grand ! ★


L'optique et la caméra travaillent en symphonie pour permettre d'atteindre les incroyables performances du LSST que nous détaillerons par la suite.

Pour atteindre une résolution totale de 3,2 Giga pixels (milliards), la caméra est en réalité le fruit d'un assemblage de 189 capteurs CCD ( de 10 µm de côté) d'une résolution individuelle de 16 Millions de pixels. Le champ total recouvert par la caméra représente 3,1° x 3,1°, c'est-à-dire similaire à la portion de ciel que rempliraient environ 38 pleines lunes ! (voir image ci-dessous)

Image montrant le taille qu'aurait la Lune projetée sur le capteur de la caméra du LSST.
Source : National Accelerator Laboratory


L'électronique d'acquisition de l'image sera agencée en 31 blocs de 3x3 capteurs CCD , permettant de lire l'intégralité de l'image capturée en seulement 2 secondes.

La caméra promet un bruit de lecture extrêmement faible (< 10 électrons) et est refroidie à -100 °C par un système de refroidissement à nitrogène liquide, ayant un débit massique de 217 kg/jour.

La caméra occupe 90 % de la surface du plan focale assimilable à un disque de diamètre 63,4 cm. La surface occupée par les capteurs de la caméra est donc de 0,28 m².

En termes de dimensions et d'encombrement, le système complet de l'imageur est similaire à la taille d'un bus, et pesant plus de 3 tonnes !
Sur l'image ci-dessous, une représentation de la caméra a été réalisée en 3D à l'échelle humaine pour se rendre compte de la taille d'un tel composant.

Vue en coupe de l’ensemble de l'imageur + correcteur du LSST. Source : https://www.lsst.org/

★ La technologie au service de l'astrophysique ★ 

Au delà de tous ces termes techniques se cache un vrai assistant pour les scientifiques, à la fois en termes de qualité et de quantité de données exploitables.


Des performances incroyables !


Compte tenu de son optique F/1.23 et de sa caméra hyper-sensible, le LSST sera capable de détecter des galaxies de magnitudes atteignant 27,7 et d'observer des objets à plus de 1 Gigaparsec, soit plus de 3 Milliards d'années lumière !
Vidéo comparant la profondeur de vision des télescopes SDSS et LSST (simulation)
Source : Johan Knapen, LSST

Durant sa durée totale de fonctionnement de 10 ans (à compter de 2022), le télescope aura répertorié plus de 37 Milliards d'objets célestes et aura surveillé environ 800 fois le même objet, permettant ainsi de décrire une évolution plus précise d'objets et de phénomènes astrophysiques tels que :

La caractérisation de la matière noire et de l'énergie noire
La distribution spatiale des Galaxies (mesures photométriques des décalages vers le rouge / redshift)
Les lentilles Gravitationnelles
Les supernovae, les quasars (LSST vise à découvrir ~1000 quasars avec un z>7 , distants jusqu'à plus de 3 Milliards d'années-lumière) 
La structure du système solaire (astéroïdes)
La structure de la voie lactée 
Un objectif que nous donnent les scientifiques du LSST est que le nombre d'étoiles du projet actuel SDSS sera égal au nombre d'étoiles variables détectées par le projet LSST ! 


Le paradis des chercheurs


Bien évidemment, de telles ambitions ne peuvent pas être accomplies sans un minimum d'infrastructures permettant le stockage et le traitement de ces images.

Vue d'artiste du LSST. Source : https://www.lsst.org/

En effet, on estime à 30 TeraOctets 15 TeraOctets, la quantité de données récoltées par nuit d'observation. Celles-ci seront transférées vers une base de données aux Etats-Unis. La moitié des images seront traitées au centre de calcul du CNRS à Lyon (CC-IN2P3). Au bout de ces 10 ans de services, LSST produira une archive de données de 200 PétaOctets , soit 200 000 TeraOctets !

Le projet LSST constitue l'un des projets les plus passionnants pour la communauté astronomique mondiale. N'oublions pas également en 2024, la mise en service du plus grand télescope au monde, l'E-ELT ... actualités à suivre sur AstroSpace et sur le web !

Source : https://www.lsst.org

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