ELT / MICADO-MORFEO

Objectifs

Ce service a pour objet la conception, la réalisation et les tests des modules sous responsabilité française, des instruments MICADO et MORFEO, qui seront délivrés à l’ESO au bénéfice de la communauté internationale. Ce service s’intègre donc au sein de l’ANO-2 (Instrumentation des grands observatoires au sol et spatiaux).

L’instrument MICADO (Multi-AO Imaging CAmera for Deep Observations ; PI Richard Davies, MPE, Allemagne) est l’instrument de 1ère lumière de l’ELT. Fonctionnant dans l’infrarouge proche (0,8–2,4 μm) sur un grand champ (jusqu’à 50"´50"), cet imageur disposera de quatre modes d’observations (imagerie, astrométrie, spectroscopie longue fente, haut contraste) lui permettant d’adresser les sujets scientifiques clés de l’astrophysique moderne : la dynamique des systèmes stellaires denses, les trous noirs des galaxies et du centre de la Voie Lactée, l’histoire de la formation stellaire au sein des galaxies par le biais des populations stellaires résolues, la formation et l’évolution des galaxies dans l’univers primordial, les exoplanètes et les objets du système solaire.

MICADO bénéficiera de la pleine résolution spatiale de l’ELT grâce à deux modes d’optique adaptative (OA). Le premier mode est de type SCAO, offrant une haute correction proche de l’axe et développé au sein du consortium MICADO. Le second mode est de type MCAO, offrant une correction médiane et uniforme sur l’ensemble du champ de MICADO, est développé au sein du consortium MORFEO
La contribution française à MICADO consiste en la réalisation du module SCAO (qui sera intégré à terme dans MORFEO) et du mode haut contraste de MICADO.

MORFEO (Multiconjugate adaptive Optics Relay For ELT Observations) est aussi un instrument ELT de 1ère génération, développé en parallèle et en interface avec MICADO, au sein d’un consortium de PI Paolo Ciliegi (INAF, Italie). MORFEO est un module d’optique adaptative multi-conjuguée (MCAO) mesurant les perturbations turbulentes dans plusieurs direction (sur un ensemble de 6 étoiles lasers et 3 étoiles naturelles) et corrigeant le front d’onde à l’aide plusieurs miroirs déformables conjugués à différentes altitudes, afin de fournir une qualité d’image accrue sur un « grand » champ (environ 1 arcmin2) . Cette facilité alimente ainsi l’instrument imageur MICADO, ainsi qu’un second port (dont l’utilisation par un nouvel instrument focal n’est pas encore définie).
La contribution française à MORFEO consiste en la réalisation de son module d’analyseurs à étoile laser. Elle est sous responsabilité de l’IPAG, en collaboration avec le laboratoire LMA.

Implantations

Paramètres mesurés

Les instruments, au foyer de l’ELT et opérés par l’ESO, ont vocation à fournir à la communauté internationale des données de sensibilité et de qualité sans comparaison au niveau mondial. Les programmes sont sélectionnés sur appel à proposition compétitif (tous les 6 mois). Les données ont un accès réservé aux proposants sur une durée d’un an, et sont ensuite accessibles à tous.

Plus spécifiquement, le système d’optique adaptative multi-conjuguée offert par MORFEO a pour objet de fournir une qualité d’image proche de la limite de diffraction du télescope en proche infrarouge (soit un gain en résolution spatiale d’un facteur 100 par rapport à une image limitée par la turbulence atmosphérique et d’un facteur 5 par rapport aux meilleures images au monde actuelles) Cette performance doit être obtenue sur un grand champ instantané (jusque 1 arcmin, affecté d’un bout à l’autre de défauts de turbulence distincts) et avec une grande couverture du ciel (incluant les zones dénuées d’étoiles brillantes telles qu’en dehors du plan galactique et particulièrement intéressantes pour des études de galaxies lointaines par exemple).

L’instrument MICADO fournit les données (d’imagerie, spectroscopie) d’intérêt direct pour les observateurs, bénéficiant de la qualité d’image mentionnée plus haut. Pour le cas d’observations sur un champ restreint autour d’une étoile brillante, MICADO intègre un système de correction dédié (dit SCAO : Single Conjugated AO) tirant profit de ce flux stellaire important et permettant d’obtenir localement une qualité d’image encore meilleure.

Implication de l’OSUG

Pour l’instrument MORFEO, l’IPAG est responsable d’un des sous-systèmes : l’ensemble de 6 analyseurs de front d’onde d’étoiles lasers. Il s’agit d’estimer les perturbations de l’image lors du passage au travers de l’atmosphère, par la mesure du signal lumineux obtenu par l’excitation du sodium présent dans une couche à haute altitude (à environ 100 km). Cette excitation est obtenue par le lancement d’un faisceau laser puissant et collimaté, fourni par un autre sous-système. Chacun des 6 systèmes doit satisfaire des spécifications exigeantes incluant une mesure rapide, fiable et stable, en un grand nombre de points de la pupille, et avec une transmission importante. Ils doivent suivre précisément et ensemble le mouvement des sources lasers lors du suivi de la source, mobile en rotation et en focalisation. Le développement doit satisfaire de critères rigoureux de développement de projet, qualité, interfaces avec le projet dans son ensemble et au sein d’un cadre de standards de l’ELT, de capacité d’intégration, vérification, et maintenabilité. Le sous-système doit être intégré, testé et validé pour une livraison à Bologne en 2029. Les opérations de test et validation se poursuivront par la suite pour la validation du système complet en Europe, puis sur télescope vers 2031.

Collaborations

Ce développement nécessite et stimule de nombreuses collaborations. Au niveau de la sélection et du projet, la sélection des instruments s’inscrit par construction dans une démarche collective de la communauté i/ à l’échelle européenne, pilotée par l’ESO, puis, ii/ à l’échelle nationale, avec les choix de prospective INSU/AA et le suivi de projet, la structuration en IR et en SNO, et enfin iii/ à l’échelle locale.

Dans le travail de conception, l’activité se situe en lien étroit avec les membres du consortium, soit en l’occurrence pour MORFEO l’Italie (Bologne, Padoue, Arcetri principalement), le Canada (Victoria), et l’Irlande (Galway). Ces développements de grands instruments pour l’ELT motivent également des échanges avec d’autres contributeurs, en particulier à Paris (sur MICADO) et Marseille (sur HARMONI).

De même, la préparation de l’exploitation scientifique stimule des collaborations à l’échelle du consortium (organisées en groupes de travail thématiques) ainsi qu’à l’échelle nationale une concertation inter-instituts et inter-instruments pour des objectifs scientifiques variés.