Gravity : des puces optiques gre­no­bloises à l’as­saut des trous noirs

Gravity : des puces optiques gre­no­bloises à l’as­saut des trous noirs

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 bientôt en quête de trous noirs. © ESO/GRAVITY consortium

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 desert d'Atacama au Chili. © ESO/F. Kamphues

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

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 (sky​sur​vey​.org), Music : Johan B. Monell (www​.johan​mo​nell​.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)

Véronique Magnin

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