L'Astronomie à Dôme C

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    Dans cette rubrique je vais tenter de vous expliquer de façon « simple » l’intérêt de l’astronomie en Antarctique. Au risque d’être parfois un peu « simpliste » pour les astronomes  et pas très rigoureux dans les termes employés, je préfère vulgariser pour rendre accessible à un maximum de personne. Pour ceux qui désirent approfondir,  j’imagine qu’ils trouveront sans peine une littérature bien plus pointue sur le net ou ailleurs. Toutes les questions et remarques sont les bienvenues.

Toute personne qui n’est pas familière avec ce domaine peut se poser la question de l’intérêt de venir poser un observatoire astronomique dans un des endroits les plus isolés et hostile de la planète.
Sur terre et dans l’espace de nombreux télescopes de grands diamètres scrutent sans relâche le ciel pour apporter aux astronomes des réponses aux questions qu’il se posent sur la formation de l’univers, la mécanique céleste, la formation, la vie, et la mort des étoiles et bien sur la présence d’éventuelles planètes similaire à la notre dans d’autres galaxies.

Alors, pourquoi donc installer des télescopes en Antarctique ?

Il existe 3 principales raisons. 

    La première, la pollution lumineuse quasi inexistante et surtout la présence de nuit continue durant presque 3 mois dans l’année. Essayez de suivre un objet durant 72 h sur le mont Paranal au chili, lieu d’implantation du VLT(1) et vous verrez que je jour viendra inexorablement troubler vos observations.
Dôme C est un site idéal pour suivre par exemple des étoiles variables dont l’intensité lumineuse varie de façon périodique en quelques jours. Cela permet d‘étudier ce phénomène et de comprendre pourquoi une étoile voit sa luminosité varier de plus deux fois en 48h. (imaginez le soleil dans cette situation…). La nuit permanente est de toute façon un sérieux atout pour l’astronomie dans le domaine du visible. À l’opposé, la période de jour continue est idéale pour des observations de l’astre du jour. Ajoutons à cela le ciel coronal (d’une très grande pureté)  quasi permanent de Dôme C qui est idéal pour les observations de la couronne solaire. 

    La seconde raison est la stabilité de l’atmosphère.  Je vais prendre un peu de temps pour tenter d’expliquer simplement l’impact de la turbulence atmosphérique sur les observations.
La « puissance » d’un instrument est caractérisée par son diamètre. Plus le miroir d’un télescope est grand, plus celui-ci collecte de la lumière et donc plus il voit des objets de faible brillance (en astronomie nous parlons de magnitude pour définir la luminosité d’un astre). L’autre avantage apporté par le diamètre, c’est la résolution ; plus le télescope est grand plus sa capacité à distinguer des petits astres ou bien à séparer des astres proches est grande.  Pour faire simple, plus c’est gros, et plus ça grossit et donc plus on voit de détails...

Cette règle relativement simple est troublée par un autre paramètre : la présence de l’atmosphère. En effet, dans l’espace, le télescope Hubble avec ses 2,4m de diamètre affranchis de la couche turbulente qu’est l’atmosphère peut atteindre sont pouvoir de résolution théorique et c’est pourquoi bien que plus « petit » que la plupart des télescopes terrestres il est néanmoins un instrument de pointe.

Sur terre, la plus mauvaise partie de l’instrument, c’est l’atmosphère. Vous pouvez avoir le meilleur instrument, le plus gros, le mieux réglé, si devant lui, vous mettez un filtre de très mauvaise qualité, vous ferez de mauvaises observations.
(Si la surface de vos verres de lunettes comportaient des creux et des bosses de plusieurs millimètres la vision serait bien moins bonne qu’une finition au niveau nanométrique).
 L’atmosphère agit comme un filtre dont la qualité peut dépendre du lieu.

Comparons l’atmosphère à un tapis de bulles de diamètres différentes collées les unes aux autres.
Maintenant, imaginons un télescope, l’atmosphère et une source de lumière qui émet des rayons lumineux, une étoile par exemple. La lumière part de l’étoile, traverse l’espace sans trop d’encombres et arrive à la couche d’atmosphère.
Et là c’est le drame…
Au moment d’arriver devant l’ouverture du télescope, elle a traversé plusieurs bulles non homogènes en taille et en température. Les rayons lumineux n’ont donc pas tous effectué le même trajet avant de frapper le miroir du télescope. L’image de l’étoile est donc altérée.

 (Imaginez que vos verres de lunettes soient fait de morceaux de verres d’épaisseur et de tailles différentes collés entre eux, pas certain que vous n'aurez pas un énorme mal de crâne à cause de la déformation du paysage vous environnant que cela va créer..).

Simulation des effets de la turbullence sur les images.
Jupiter, image défocalisée d'une étoile et tache de diffraction. dans differentes conditions de stabilité.
Parfaite Bonne Moyenne Mauvaise

Réalisé avec le logiciel Abberator de Cor Berrevoets. Image de jupiter : E. Bondoux

    Maintenant, imaginez que par chance le diamètre du télescope est inférieur au diamètre de la plus petite bulle présente devant (un peu comme votre œil devant un verre de lunette homogène plus grand que votre pupille). Dans ce cas tous les rayons lumineux traversent la même bulle et donc sont altérés de la même façon ce qui est bien moins gênant pour vos observations.

Et bien c’est la base du problème, la taille des bulles en comparaison au diamètre du télescope. Plus la taille de la bulle est grande, plus on peut correctement exploiter un grand télescope. La taille de ces " bulles" est appelée R0
Pour vous donner une idée, en France dans mon jardin à 50 km de Paris, site de turbulence « moyenne » on peut dire que le R0 moyen est de 8 à10cm environ et le maximum que j’ai pu observer doit se situer autour de 15cm.
En France sur des sites exceptionnels on doit pouvoir arriver quelques fois par an à 40 cm.
Ici, nos instruments ont pu enregistrer une valeur de 104cm plusieurs minutes à 7m du sol, 50cm est courant.
Vous me direz, nous sommes loin des 8m qui sont la taille des miroirs du VLT. En effet, mais en terme de turbulence le site de Dôme C est au niveau de celui de Paranal et si l’on s’élève à plus de 30 m par rapport au sol (épaisseur de la couche turbulente), certainement bien meilleur.
C’est ce qui caractérise Dôme C, la faible épaisseur de cette couche turbulente. Il est techniquement envisageable de s’élever de 30 m et donc d’avoir accès le plus souvent  au ciel le plus stable sur terre. 

    La troisième particularité du site de Dôme C, c’est le faible taux d’humidité dans l’air. Comme vu ci-dessus l’atmosphère agit comme un filtre,  si la turbulence peut être comparée au niveau de polissage de celui-ci, l’autre caractéristique d’un filtre c’est la bande passante. À savoir la "couleur" de la lumière qu’il va laisser passer.
Vos verres de lunette laissent passer toute la lumière visible (c’est plus sympa pour nous…). S’ils étaient rouges (ou bleu, ou vert) , vous n’auriez accès qu’à une petite partie de toute la lumière qui nous entoure, le paysage serait donc bien monotone à la longue. Une prairie vue à travers un verre rouge, c’est pas très fun… tout un monde échapperait donc à notre vue.
En astronomie c’est pareil, l’observation du ciel ne se limite pas à la lumière visible, le rouge, le vert, le bleu, et donc le blanc ne sont  qu’une infime partie des radiations que nous envoient les objets du cosmos. Il serait donc très réducteur de n’observer que dans ces longueurs d’onde (ces couleurs…)
Beaucoup de choses très intéressantes se passent dans l’infrarouge. Nos yeux ne peuvent les voir, mais nous disposons de détecteurs ou caméras capables de le faire. Et c’est là, encore une fois que l’atmosphère vient jouer les trouble-fêtes. Elle agit comme un filtre, particulièrement à cause de l’humidité qu’elle contient, qui coupe une grande partie du rayonnement infra rouge qui nous provient de l’espace. Hubble démontre encore une fois son avantage, étant dépourvu de ce satané filtre qui nous rend nos instruments terrestres "aveugles" à une grande partie des « couleurs » de l’univers.
L’air de l’Antarctique est un des plus "secs" sur terre, nous pouvons donc en déduire que c’est sur ce continent que l’on pourra observer toute une gamme de « lumières » comme nulle part ailleurs sur terre… 
En contrepartie de tous ces avantages, l’astronomie à Dôme C n’est pas de tout repos.
Le froid complique énormément la mise en place, le réglage et l’exploitation des instruments.
Il nécessite l’emploi de matériaux  et de développement spécifique. Les câbles, connecteurs, métaux, graisses utilisées doivent être prévu pour supporter des températures de –80°
Le givre qui se dépose doit être combattu.
Les variations de température demandes des réglages réguliers.
L’isolement impose aux techniciens d’hiverner dans les conditions que vous commencez à imaginer. Les gros travaux doivent être effectués durant les 3 mois d’été.
    Les technologies à employer sont peu différentes du spatial et donc les budgets (qui sont certainement la principale limitation) explosent. 

L’astronomie à Dôme C bien que présente depuis 1995, n’est qu’aux prémices d’une formidable aventure ponctuée de défis technologiques et humains, mais des projets passionnants pour l’avenir existent et si la volonté est présente, L’Antarctique sera le lieu de l’Astronomie de demain…

(1) Le VLT (Very Large Telescope)  est un projet de L’ESO (European Southerne Observatory). Il s’agit de 4 télescopes de 8,2m installés sur le mont Paranal au Chili. Ces 4 télescopes (Antu, Kueyen, Melipal et Yepun) auront la particularité de pouvoir une fois le système opérationnel combiner leurs faisceaux optiques pour réaliser le plus grand interféromètre optique actuel et donc obtenir le pouvoir résolvant qu'aurait un télescope bien plus grand. Le site de Paranal est considéré comme un des meilleurs du monde pour l’astronomie visible. Un des instruments utilisé pour tester la qualité de ce site est le DIMM utilisé lui aussi à Dôme C.


Copyright : Erick Bondoux 2008