Reportage au LSST, le télescope géant qui scannera tout le ciel en 3 jours

Début septembre 2019, la coupole du LSST avait reçu ses premiers panneaux. © W. O’Mullane/LSST Project/NSF/Aura
L’un des cinq grands télescopes optiques de demain est en train de naître dans les Andes chiliennes. Un géant capable de scanner le ciel en profondeur pour en révéler les astres les plus discrets. Visite de chantier au sommet du Cerro Pachon.

Casque de chantier rivé sur la tête, Jacques Sebag fait partie des Français expatriés au Chili pour l’astronomie. À 2715 m d’altitude au sommet du cerro Pachon, il a la lourde mission d’orchestrer l’assemblage du Large Synoptic Survey Telescope (LSST). Ce projet d’un milliard de dollars est l’un des cinq télescopes optiques les plus ambitieux pour la science de demain(1). Ce nouveau géant s’annonce gargantuesque. Il sera capable de scanner l’ensemble de la voûte céleste en seulement 3 jours avec sa caméra de 3,2 milliards de pixels. Ses clichés détaillés montreront des étoiles de magnitude 24,5, c’est-à-dire 25 millions de fois plus faibles que les plus faibles visibles à l’œil nu ! De quoi réaliser des découvertes dans tous les domaines de l’astronomie (lire ci-après) et augmenter considérablement la connaissance des géocroiseurs, ces astéroïdes susceptibles d’entrer un jour en collision avec la Terre. Piloté par les États-Unis, le projet implique d’autres pays, dont la France, et sa construction à l’observatoire américain du cerro Pachon est bien avancée.

Les personnes présentes sur le chantier du LSST donnent l’échelle du pied du télescope. © J.-L. Dauvergne/C&E
Jacques Sebag supervise l’assemblage du LSST au sommet du cerro Pachon. © J.-L. Dauvergne/C&E

Ce sommet rocailleux est battu par les vents. Il héberge déjà la coupole argentée du Gemini Sud, un télescope de 8,1 m mis en service en 2000. À l’autre extrémité de la crête, ouvriers, camions et grues s’affairent autour des lignes futuristes du bâtiment du LSST. Jacques Sebag en connaît les moindres recoins. Au cœur de l’imposante infrastructure, il pousse une porte percée dans un mur épais. Nous débouchons à mi-hauteur d’une immense tour en béton. Sa base est formée par un mur encore plus épais, large de 2 m. « Ici, nous sommes dans le pied du télescope, explique Jacques Sebag. Une structure qui doit supporter tout le poids du LSST. » C’est-à-dire 350 tonnes de métal et de verre. Au-dessus de nos têtes, le ciel bleu. La coupole est encore à nue, mais son ossature métallique esquisse déjà une silhouette imposante. 

Le télescope est bâti sur un éperon rocheux

Le LSST a beau être équipé d’un miroir de « seulement » 8,4 m, de taille similaire à celle de son voisin, le Gemini Sud, ou encore à celle des VLT de l’ESO, 600 km plus au nord, il n’a rien en commun avec eux. La coupole notamment est atypique car elle est très haut perchée. Le pied du télescope, bâti sur un éperon rocheux, fait 16 m de haut. « C’est l’un des plus élevés jamais construits. Notre but est d’éloigner le plus possible le LSST des turbulences atmosphériques situées au sol. Nous aurons un champ très large de 3,5°, et aucun système d’optique adaptative n’est capable de corriger les effets de la turbulence sur une zone aussi vaste. Il nous faut donc limiter ceux-ci naturellement », justifie Jacques Sebag.

Le LSST, vu depuis la coupole du Gemini Sud. © J.-L. Dauvergne/C&E
L’urgence du chantier est de terminer la coupole pour mettre la partie intérieure au sec. © J.-L. Dauvergne/C&E

En haut de la tour, on aperçoit des ouvriers portés par une grue. Ils sont en train d’assembler des éléments de la coupole pour fermer cette partie au plus vite. « Nous devons protéger les équipements en cas de pluie. Notre but était de finir la coupole avant l’hiver austral, mais nous n’y sommes pas parvenus. Nous avons eu beaucoup de problèmes », regrette Jacques Sebag. Pour un tel chantier, l’une des difficultés est la météo. L’hiver, il neige et le travail en hauteur devient dangereux quand le vent est trop fort. Son collègue Bob Blum, directeur des opérations, se veut néanmoins rassurant sur l’avancement du projet : « Ce que l’on aime dire à ce stade, c’est que presque tout est déjà construit. » Et d’ironiser par un euphémisme : « Il ne nous reste plus qu’à assembler les différentes parties entre elles. Mais il est vrai que le défi actuel est de finir la coupole. Nous travaillons très dur là-dessus. »

La coupole possède ses propres fondations. Tout a été fait pour éviter qu’elle transmette ses vibrations au LSST. © J.-L. Dauvergne/C&E

Sa coupole pèse 600 tonnes

La coupole a ses propres fondations et son propre mur de soutènement. Un soin particulier a été apporté à ne pas transmettre ses vibrations au télescope. « Elle est beaucoup plus lourde que lui (600 t). Du coup, on ne peut pas la tourner aussi vite que le télescope pointe. Pour compenser cela, son ouverture a été surdimensionnée. On peut ainsi commencer à observer alors que la coupole finit de pivoter », explique Jacques Sebag. Pour balayer le ciel au plus vite, les temps morts ont été réduits au maximum. « Le LSST pourra se déplacer à 10° par seconde. C’est très rapide pour un instrument de cette taille », souligne Jacques Sebag.

Ci-dessous : un test de rotation de la coupole en octobre 2019.

Retour à l’intérieur du bâtiment. À sa base, une large ouverture est percée dans le mur. « Pour relier la coupole et l’atelier, nous avons un ascenseur géant, qui sera capable de lever le miroir », décrit Jacques Sebag. Haut de 27 m, cet ascenseur permet de descendre le miroir du télescope vers l’atelier pour le nettoyer ou refaire sa couche métallique réfléchissante dans une grande cuve à vide, semblable à une cocotte-minute géante aplatie. « Cela prend environ 10 minutes pour le descendre. On a essayé de limiter au mieux ce temps car c’est une phase assez critique. S’il y avait un tremblement de terre à ce moment-là, ce serait un gros problème », souligne Jacques Sebag.

Ci-dessous : test de l’ascenseur ; le technicien donne l'échelle !

Ces risques ont été soigneusement évalués car l’optique du LSST est particulièrement coûteuse. La formule requise pour couvrir un champ large comme 7 Pleines Lunes avec un miroir de 8,4 m est exotique et complexe. Elle compte trois miroirs et trois lentilles, dont une de 1,55 m de diamètre (un record). La plus grande originalité est la forme du miroir principal : il a deux courbures. Sa partie externe voit le ciel et fait office de miroir primaire M1. Cette lumière est renvoyée vers le haut sur un miroir secondaire M2 de 3,4 m de diamètre. M2 réfléchit à son tour la lumière sur la partie centrale du miroir primaire. Cette zone fait donc office de miroir M3. Celui-ci enfin focalise les photons vers la caméra, grosse comme une voiture. Conçu en partenariat avec le CNRS, l’instrument fait 2,8 tonnes. À l’intérieur, 189 capteurs de 16 millions de pixels forment une matrice de 64 cm de large. 

Un miroir complexe à réaliser

Le miroir de 8,4 m à deux courbures a été poli au Mirror Lab, en Arizona. C’est l’une des pièces optiques les plus complexes jamais réalisées pour l’astronomie. Son façonnage a donné quelques sueurs froides aux équipes du LSST et du Mirror Lab : « La fabrication a été très longue. Il y a eu beaucoup de pas en avant, mais aussi pas mal de pas en arrière », se souvient Bob Blum. Le miroir est achevé depuis 2014. « Au printemps, nous l’avons sorti de son espace de stockage au Mirror Lab avant de l’envoyer au Chili pour le tester une fois qu’il est monté dans sa cellule. Le but était de voir son comportement sous l’effet de la gravité. Et heureusement, le résultat a été assez bon. Nous avons pris un certain risque à le laisser stocké aussi longtemps avant de faire ce test crucial », note Bob Blum.  

Le miroir secondaire, quant à lui, est arrivé début 2019 au sommet du Cerro Pachon. Actuellement, il est entreposé dans une énorme boîte métallique bleue scellée située sur la coursive de l’atelier. Il ne sera sorti qu’au dernier moment pour être placé dans son support et être recouvert d’une fine couche d’argent dans la cuve à vide. « Nous avons tout de même entrouvert la boîte après la livraison pour vérifier qu’il était en bon état », rassure avec le sourire Jacques Sebag. Le poids de l’ensemble est indiqué en lettres noires sur fond bleu : 31 000 livres, soit 14 tonnes ! Mais la pièce à l’intérieur est bien plus légère. Il faut imaginer un disque de 3,42 m percé en son centre avec une forte courbure. Cette pièce ne fait que 10 cm d’épaisseur et même 1,9 cm par endroits, car des zones ont été creusées pour l’alléger d’un peu plus de la moitié de son poids. Cette opération a permis de conserver la rigidité et de descendre à 680 kg. Le miroir primaire, quant à lui, a été livré début mai. Ce bloc de verre de 16 tonnes finement poli est stocké dans une caisse de 50 tonnes située dans un bâtiment extérieur.

L’atelier optique se trouve dans le même bâtiment que le télescope. © DR
L’immense atelier attenant à la coupole est destiné à entretenir les optiques. Le support du miroir secondaire est visible à gauche. La cuve à vide nécessaire pour métalliser la surface des miroirs est sur la droite. © J.-L. Dauvergne/C&E

En fait, presque tous les éléments du télescope sont déjà au sommet. « La structure du télescope a déjà été totalement assemblée et testée en Espagne. Elle sera ensuite expédiée en bateau et devrait arriver au Chili d’ici la fin de l’année, détaille Bob Blum. Sur place, nous avons déjà les optiques et les cellules pour supporter les miroirs avec leurs actuateurs. » Mais le matériel n’est que la face visible du projet. Pour le moment, la vaste salle de contrôle du télescope située sous l’atelier est vide. Or, la partie informatique est une des clés du LSST. La gestion des données constitue un défi considérable. « Elle représente la moitié du coût du projet », souligne Bob Blum.

C’est d’ailleurs sur cet aspect qu’interviennent des équipes françaises aux côtés des Américains. Chaque nuit, le télescope va produire 20 To de données, c’est-à-dire 80 fois l’espace disponible dans le smartphone dernier cri ! « On a conçu un système qui permet d’envoyer les données du Chili vers les États-Unis et la France. C’est de là que seront émises les alertes aux astronomes du monde entier dès que le télescope aura identifié une cible intéressante. Toutes les minutes, le LSST signalera les astres qui ont varié dans les dernières images. Ceux-ci pourront être ensuite observés par d’autres instruments au Chili ou ailleurs », détaille Bob Blum. 

« La gestion des données représente la moitié du coût du projet », indique Bob Blum, directeur des opérations du LSST. © J.-L. Dauvergne/C&E

L’informatique devra non seulement repérer automatiquement tous les phénomènes changeants et transitoires, mais surtout parvenir à hiérarchiser leur importance. Pour Bob Blum et ses collègues, c’est un enjeu complexe car il est probable que certains phénomènes seront totalement nouveaux : « Au début du programme, nous pensons identifier chaque nuit environ 10 millions de nouveaux objets, en particulier dans le Système solaire avec les astéroïdes. Mais nous allons trouver des choses inédites ; ainsi est faite l’histoire de tous les grands télescopes. Je m’attends notamment à ce que nous découvrions une importante diversité d’étoiles variables et d’effets transitoires inconnus jusqu’ici dans l’Univers. En revenant aussi régulièrement sur chaque zone du ciel, il est certain que nous verrons des cycles que personne n’avait détectés avant. » 

Plus de 5 millions de photos

Savoir repérer immédiatement ces phénomènes est primordial : « Nous devrons être sûrs d’avoir bien catalogué tout ce qui peut l’être, car il ne sera pas possible de stocker l’ensemble des images réalisées sur les dix ans que durera le programme. À un instant donné, nous aurons assez d’espace pour conserver l’équivalent de deux ans d’observation », souligne Bob Blum. À terme, le LSST aura pris 5,6 millions de photos de 3,2 milliards de pixels et chaque point du ciel aura été photographié environ 1 000 fois. Ces images seront empilées au fur et à mesure afin d’obtenir une vue de plus en plus profonde. Sur le cliché final, les objets les plus faibles seront 15 fois moins lumineux que sur les données brutes. 

Avant de voir toutes ces promesses réalisées, la patience est de mise. Même si toutes les pièces du télescope sont construites, le chantier au sommet du Cerro Pachon est loin d’être achevé. « Les observations sont censées débuter en octobre 2022. Pour le moment, nous sommes toujours dans les temps, mais notre programme est très serré pour finir les travaux », admet Bob Blum. Au-delà de cette prochaine échéance, on peut se demander ce que deviendra le LSST à l’issue de ses dix ans de mission. Bob Blum y songe déjà : « Le budget actuel permet de construire l’observatoire et le faire fonctionner pendant dix ans. Il est très probable qu’à la fin de cette période, les astronomes auront de nouvelles idées pour l’utiliser. Ce sera un programme un peu différent, avec d’autres types de filtres par exemple. On pourra aussi changer la cadence de prise de vue pour déceler d’autres sortes de phénomènes transitoires ou variables. Actuellement, nous avons plusieurs axes de recherche et la cadence choisie n’est idéale pour aucun d’entre eux. C’est une forme de compromis. » Nous savions notre Gargantua gourmand, mais nous voilà prévenus : il sera également insatiable.

Note (1) : Avec les télescopes de plus de 25 m de diamètre ELT, GMT et TMT, et le télescope spatial James Webb (JWST).

 

Le 2 juillet 2019, le Soleil s’est éclipsé au-dessus du Cerro Pachon et du chantier du LSST. © LSST Project/NSF/AURA

Les quatre objectifs du Large Synoptic Survey Telescope

Le LSST possède déjà sa feuille de route, que Bob Blum détaille : « Nous avons quatre programmes scientifiques principaux. À terme, nous aurons cartographié plus de galaxies qu’il n’y a d’humains sur Terre, soit 40 milliards. Nous connaîtrons ainsi mieux les structures de grande échelle et les lentilles gravitationnelles. » Autre aspect, les effets transitoires : « Le LSST va nous montrer ce qui change dans le ciel sur des échelles de l’ordre de la minute, de l’heure, du mois ou de l’année. Il est également prévu de scruter des millions d’étoiles pour analyser leur mouvement afin de comprendre comment s’est formée la Voie lactée. » Enfin, dernier volet, le Système solaire, « avec la recherche de nouveaux astéroïdes, notamment interstellaires, et bien entendu la neuvième planète du Système solaire [encore hypothétique, NDLR]. » 

Time-lapse de la construction du LSST

Recevez Ciel & Espace pour moins de 6€/mois

Et beaucoup d'autres avantages avec l'offre numérique.

Voir les offres

Nous avons sélectionné pour vous