Un instrument pour analyser simultanément la lumière d'environ 1000 objets cosmiques

Au sommet du Roque de Los Muchachos sur l'île de La Palma aux Canaries, le télescope William Herschel vient d'accueillir son nouveau spectrographe multi-objets. Celui-ci va permettre d'analyser simultanément la lumière d'environ 1000 objets cosmiques répartis à différents endroits du ciel.


Un des huit objectifs de WEAVE est d'étudier les "quasi-stellar objects", des noyaux de galaxies qui abritent un trou noir et sont de puissantes sources de rayonnement électromagnétique. Ces objets, observables à de très grandes distances, sont utilisés pour sonder la structure de l'univers à grande échelle, les propriétés des galaxies, et celles du milieu intergalactique dans les premiers trois milliards d'années à partir du Big Bang.

Un autre objectif est d'étudier des objets très proches comme les naines blanches, des étoiles extrêmement denses. Avec les spectres WEAVE, nous déterminerons les masses et les températures de plus de 100 000 naines blanches, et donc leurs âges grâce à la loi de refroidissement des naines blanches.

Mais c'est le relevé d'"archéologie galactique" qui occupera la majeure partie du temps d'observation de WEAVE: les spectres des étoiles observés nous permettront de mieux comprendre la structure de la Galaxie, sa formation et son évolution au cours des longs 13,5 milliards d'années de son histoire.

La spectroscopie, ou comment décomposer la lumière des étoiles nous en apprend plus sur le cosmos

À la fin du XIXe siècle, des astronomes tels que Jules Janssen (1824-1907) et Angelo Secchi (1818-1878) ont commencé à étudier systématiquement la lumière du Soleil, des planètes et des étoiles. Ils ont dispersé la lumière provenant de ces astres grâce à des "prismes", et en analysant les couleurs obtenues, ont étudié les propriétés physiques d'astres distants de millions de kilomètres de la Terre.

La spectroscopie a marqué la naissance de l'astrophysique. Depuis, c'est notre outil principal pour étudier le cosmos, car on peut à partir du spectre d'un objet cosmique déterminer sa vitesse radiale (s'il s'approche ou s'éloigne de nous), sa composition chimique et son état physique (température, densité, pression électronique, etc.).

Analyser plusieurs astres simultanément

Au cours des trente dernières années sont apparus les spectrographes multi-objets, capables d'étudier simultanément les propriétés individuelles d'objets très distants. Ces spectrographes permettent de sélectionner différents objets dans le champ de vue du télescope et d'envoyer leur lumière dans l'analyseur pour produire des spectres séparés.

Ils sont particulièrement importants pour les études qui nécessitent de très nombreuses mesures, par exemple l'étude de notre galaxie, celle des amas de galaxies ou des oscillations de la matière baryonique. Ces dernières sont des fluctuations de densité de matière (protons et neutrons) qui étaient déjà présentes dans l'univers primordial, juste après le Big Bang. Les galaxies notamment se sont formées à partir de ces inhomogénéités et la mesure est complémentaire de l'étude des anisotropies du fond diffus cosmologique, dont l'observation occasionna notamment le Prix Nobel de physique 2006.

Répondre aux besoins scientifiques des astronomes

Il y a une douzaine d'années, la communauté astronomique européenne a identifié comme besoin prioritaire un instrument à grand champ de vue (un à trois degrés de diamètre, soit plusieurs fois la taille de la pleine lune) capable d'acquérir simultanément les spectres de plusieurs milliers d'objets sur un télescope de l'ordre de 4 mètres de diamètre. En effet, un tel instrument permet d'aborder plusieurs domaines de recherche en astrophysique, notamment la structure et l'évolution de la Voie lactée, la structure et l'évolution des amas de galaxies, la structure à grande échelle de l'univers et la cosmologie.

WEAVE, pour "WHT Enhanced Area Velocity Explorer", est né. Il est le produit d'une collaboration internationale à laquelle participent les pays propriétaires du télescope (Royaume-Uni, Pays-Bas, Espagne), mais aussi la France, l'Italie et le Mexique, ainsi que plusieurs organismes et chercheurs.Schéma de WEAVE et son implantation sur le télescope William Herschel. WEAVE consortium

Une des plus grandes lentilles jamais fabriquées

D'un point de vue technologique, WEAVE a été un défi à la limite des technologies actuelles. Notamment, il nécessite un système optique composé de six lentilles. La plus grande de ces six lentilles a un diamètre de 1,1 mètre - c'est une des plus grandes lentilles jamais fabriquées.


Nous avons aussi conçu et développé deux "robots positionneurs" qui déplacent jusqu'à 960 fibres optiques vers les positions nécessaires sur le plan focal du télescope pour analyser les astres. Les robots tissent ainsi ("to weave", en anglais) un véritable entrelacs de fibres, qu'il est prévu de faire et défaire des milliers de fois, dans une danse qui ne manque pas de charme.


Les fibres optiques acheminent ensuite la lumière sur 32 mètres, le long de la structure du télescope, jusqu'au spectrographe. WEAVE dispose de plusieurs types de connexions par fibres optiques, qui lui permettent d'imager différemment pour étudier différents types d'objets. Par exemple, on peut utiliser 960 fibres individuelles destinées chacune à recueillir la lumière d'un objet ponctuel. Autre option: un assemblage de plus de cinq cents fibres couvrant un large champ de vision pour l'observation d'objets étendus de grande taille. Enfin, avec 20 assemblages de 37 fibres, on peut étudier plusieurs objets étendus, comme des galaxies, et en étudier les propriétés, tel que leur courbe de rotation, leur composition chimique et les différences de composition chimique, et ce dans les différentes parties de la galaxie.

Une collaboration internationale aux compétences multiples

Nous avons eu recours à un large réseau de compétences pour la fabrication des pièces et leur assemblage. Par exemple, le collimateur et les quatorze lentilles sphériques des caméras ont été polis au Mexique après que les disques de verre aient été fabriques en Europe, Japon et aux États-Unis. Ces composants conçus et réalisés spécifiquement pour WEAVE ont ensuite été envoyés aux Pays-Bas où a eu lieu l'intégration des éléments optiques et mécaniques du spectrographe. L'assemblage des liens par fibres optiques s'est appuyé sur les contributions de trois industriels différents en France, au Canada et aux États-Unis. Les liens fibrés ont enfin été testés à l'Observatoire de Paris, avant d'être envoyés à Oxford pour être intégrés au positionneur.


Après un travail de plus de dix ans qui a impliqué une centaine de personnes dans une dizaine de pays, les composantes de WEAVE sont maintenant arrivées sur le site du télescope William Herschel. Le système optique a été testé sur le télescope et a démontré une excellente qualité d'image. Encore en cours d'intégration, WEAVE devrait faire ses premières observations - des spectres et non des images - en décembre 2021.

En France, la construction de WEAVE a été financée par le CNRS, l'Observatoire de Paris-PSL, les régions Île-de-France et Franche-Comté; ont également participé le Royaume-Uni (STFC), les Pays-Bas (NOVA et NWO), l'Espagne (IAC, Groupe international de télescopes Isaac Newton, ministère des Affaires économiques et de la Transformation numérique), l'Italie (INAF), le Mexique (INAOE), la Suède (Observatoire de Lund, Université d'Uppsala), l'Allemagne (AIP, MPIA), les États-Unis (Université de Pennsylvanie) et la Hongrie (Observatoire Konkoly).

La Région Île-de-France finance des projets de recherche relevant de Domaines d'intérêt majeur et s'engage à travers le dispositif Paris Région Phd pour le développement du doctorat et de la formation par la recherche en cofinançant 100 contrats doctoraux d'ici 2022. Pour en savoir plus, visitez iledefrance.fr/education-recherche.