FOCUS – Un puissant dispositif destiné à étudier les trous noirs a été testé avec succès au Chili, livrant ses premières observations. Des chercheurs grenoblois de l’Ipag, en collaboration avec le CEA-Leti, ont contribué à la réussite de ce projet en mettant au point des puces optiques très particulières.

Gravity en quête de trous noirs. © Eso/Gravity consortium

Gravity ? La traduction anglaise de Gravité, le film d’aventure spatiale américano-britannique d’Alfonso Cuarón avec George Clooney et Sandra Bullock, sorti en 2013. Mais aussi le nom d’une nouvelle machine conçue pour observer avec une précision inédite, dans l’environnement proche des trous noirs, la trajectoire des étoiles, les phénomènes de jet de matière et d’accrétion (constitution ou accroissement d’un corps ou d’un objet par apport ou agglomération de matière).

De fait, Gravity porte bien son nom quand on sait l’intensité du champ gravitationnel généré par ces invisibles ogres de l’espace qui engloutissent inéluctablement les corps célestes à leur portée.

Une machine à 7 millions d’euros

Gravity dépasse en performances tous les instruments interférométriques (combinant la lumière en provenance de plusieurs télescopes) installés jusqu’ici sur le Very large telescope interferometer (VLTI) à quatre têtes de l’Observatoire européen austral (Eso) au Chili. Notamment grâce à l’un de ses composants : les puces optiques adaptées à l’interférométrie astronomique réalisées par l’Institut de planétologie et d’astrophysique de Grenoble (Ipag*) en collaboration avec le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives et le Laboratoire d’électronique et de technologie de l’information (CEA-Leti).

Le Very large telescope (VLT) situé sur Cerro-Paranal à 2600 m d’altitude dans le désert d’Atacama au Chili. © Eso/F. Kamphues

Petit bijou technologique d’un coût supérieur à 7 millions d’euros, Gravity est l’aboutissement d’un projet européen débuté en 2005 et piloté par l’Institut Max Planck pour la physique extraterrestre situé à Garching, en Allemagne.

Plus de cent chercheurs, ingénieurs et techniciens européens ont collaboré pendant plusieurs années pour co-construire le nouvel instrument. Au nombre d’entre eux, un quart de Français, dont des astronomes de l’Ipag mais aussi des chercheurs du Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique (LESIA) et du Centre français de recherche aérospatiale (Onera).

Des puces optiques intégrées au service de la précision des mesures

Depuis bientôt vingt ans, l’Ipag et le CEA-Leti coopèrent pour développer des puces optiques adaptées à l’interférométrie astronomique. Dans le projet Gravity, la technologie a été poussée à ses performances ultimes.

« L’Ipag a de son côté traduit les spécifications pour les puces optiques puis transmis le cahier des charges au Cea-Leti. Après avoir dessiné le trajet que devait emprunter la lumière collectée par les télescopes du VLTI dans les puces, le Cea-Leti a réalisé les puces optiques dans ses salles blanches », explique Karine Perraut, astronome et co-investigatrice du projet Gravity à l’Ipag.

« Les trajets ont été gravés dans des couches de silice dopée, déposées sur du silicium.  Des fibres optiques ont ensuite été collées aux puces pour y faire entrer la lumière dans des longueurs d’onde allant de 2 à 2.5 µm. L’ensemble est intégré dans une monture mécanique. »

Puces optiques spécialement conçues et développées pour Gravity. © IPAG/CEA-leti/Le Verre Fluoré

L’explication de leur performance ? « Les fibres optiques filtrent le front d’onde, ce qui permet d’obtenir des faisceaux lumineux propres, donc une mesure beaucoup plus précise », explique-t-elle. À cela, faut-il ajouter que les puces optiques ont deux autres avantages : leur compacité  – quelques centimètres carrés – et leur stabilité.

Les pièces, autrement nommées “recombinateurs en optique intégrée”, ont ensuite été livrées à l’Institut Max Planck en charge d’assembler les différents composants de Gravity.

Une première campagne de test réussie au Chili

En 2015, la machine a été installée sur le VLTI. Comment fonctionne l’ensemble du dispositif ?

Les quatre télescopes de la plate-forme pointent une même étoile. Les faisceaux lumineux collectés dans chaque entonnoir vont ensuite “interférer”, c’est-à-dire être mélangés dans la puce optique. Résultat en bout de chaîne ? Des mesures d’une précision inédite. Preuve en est : les chercheurs ont déjà pu découvrir, à l’occasion des tests, un système d’étoiles doubles au sein de l’amas du Trapèze dans la constellation d’Orion.

Gravity découvre le caractère binaire d’une étoile de l’Amas du Trapèze dans la constellation d’Orion. © Eso/M. McCaughrean/Gravity consortium, Nick Risinger (skysurvey.org), Music: Johan B. Monell (www.johanmonell.com)

L’utilisation du VLTI est très convoitée par les chercheurs du monde entier. Mais Karine Perraut est optimiste quant à la disponibilité du matériel pour les recherches de l’institut. Et pour cause : « Comme l’Ipag a participé à la construction de l’instrument aujourd’hui mis à la disposition de la communauté scientifique, l’Eso nous accorde du temps garanti pour effectuer nos mesures », précise-t-elle.

L’utilisation de Gravity ne va pas s’arrêter à l’étude du trou noir le plus proche de la Terre, situé à 26.000 années lumières, dans la voie lactée, au centre de notre galaxie. Il permettra aussi d’observer l’environnement des étoiles nouvellement formées, le mouvement des étoiles binaires, des exoplanètes, des disques autour des jeunes étoiles ainsi que la surface des astres stellaires.

Véronique Magnin

* L’Ipag est une unité mixte de recherche du Centre national de recherche scientifique (CNRS) et de l’Université Grenoble Alpes (UGA)