"The spots are well centered on the wavefront sensor. The turbulence is fairly good, the signal-to-noise sufficient, therefore the image MUST be almost perfect. Let’s go (click). Wouah, exactly as in our dreams...!". This was a few days or rather a few nights ago : for the first time, NAOS, the new adaptive optics system of the Very Large Telescope of ESO had just "closed the loop". It began its career while offering to the eyes of the team who had installed and tuned it the weeks before, the reward of superb images, 20 times more peaked than those obtained until now with the VLT, in a site considered as one of the best in the world, that of Cerro Paranal which borders the Atacama arid desert in north of Chile. NAOS was conceived, built and characterized by a consortium including ONERA (in charge of the project), l’Observatoire de Paris (DESPA and DASGAL), the LAOG of Grenoble and with the participation of the technical division of INSU-CNRS. ESO has financed the construction of NAOS and has participated to certain sub-systems. The following photograph shows NAOS (the light-blue cylindrical structure) installed at the Nasmyth focus of Yepun, the most recent of the four VLT 8.2m-telescopes. NaosUT4.jpg NaosConica.jpg

NAOS allows to sharpen the view of one of the four giant telescopes by giving it back the capacity - predicted by theoretical wave optics- to distinguish angular details of size inversely proportional to the mirror size, capacity lost due to the atmosphere. It is with a frequency of 600 times a second that commands are sent to a flexible mirror, with the help of 185 micro actuators ; with these commands, NAOS manages to compensate for the deformations (hollows and bumps) affecting the light wave due to the crossing of the atmosphere. Practically restored as it was before its crossing of the atmosphere, this wave can then be focused to form a quasi-perfect image on a camera. NAOS provides its corrected images to CONICA, an infra-red camera built by a consortium of laboratories in Germany.

The pictures below illustrate the remarkable gain brought by adaptive optics while comparing images of the same object, the dense star cluster NGC 3603 in the constellation Carina, obtained with the VLT ISAAC camera (without adaptive optics) and with NAOS/CONICA. The number os stars detected, in particular the weak ones, is much higher on the image obtained with NAOS/CONICA : this allows a detailed study of the distribution in mass of a star cluster, from the smallest to the highest masses, in the star formation process. This region is particularly interesting from this point of view, since it is the locus of one of the most instense star formation activity in our Galaxy. ngc3603ISAAC.jpg ngc3603naos.jpg

The Kleinmann-Low region around the Becklin-Neugebauer object in the great Orion nebula. Located near the four stars of the Orion trapeze, the region is extremely active in star formation : it contains in particular a very young stellar cluster, still hidden in the cocoon of gas and dust where it was born. It is only in the infra-red that these baby-stars can be observed. The brighter source is the Becklin-Neugebauer object (BN) : it is one of the most studied objects in the class of protostars, which have not yet reached the stage of nuclear reactions as in our Sun. The NAOS image will allow to study the very important matter ejections which characterize the proto-stellar phase, as well as the formation of the very small mass stars which appear as weak sources on this image. Among these sources, "brown dwarfs" are certainly present. This image was obtained using the infrared wavefront sensor produced by the DESPA at Paris Observatory. The BN source serves as the reference for the adaptive optics sensor. bn.jpg
2-axes tip-tilt mirrors, infra-red wavefront sensor, simulator of turbulence, and the final assembling phase and characterization. This was led in the integration hall of CNRS-Bellevue, at a few hundred meters from Meudon Observatory where was realized and tested the opto-mechanical systems and electronics. The team of Paris Observatory, led by researchers, engineers and technicians of DESPA also profited from an active participation of engineers and technicians of DASGAL and the Technical Division of INSU-CNRS. This same institute, in addition, gave a significant financial support in particular for the equipment of the integration hall, supported by the Paris Observatory on its own funds.

To know more :

The high angular resolution and adaptative optics. The angular resolution of a telescope characterizes its capacity to distinguish fine details. The larger a telescope is, the higher is its capacity theoretically (the angle under which it sees the smallest detail is given by the ratio between the wavelength of the observation, and the diameter of the telescope). In fact, the turbulent layers of the atmosphere slightly deform the images and the telescopes, even in the best sites, obtain an image quality 20 to 50 times worse than the theoretical limit : the details interesting the astrophysician are thus lost.

Adaptive optics consists in correcting these effects of the atmosphere, in real time, by operating several hundreds times a second a deformable mirror which compensates for these distortions by producing deformations of opposite sign. The image is thus restored in its original sharpness, that it had before its crossing the atmosphere. The animation at right illustrates the principle of adaptive optics (click on the image to see the animation, Video/Quicktime 657KB) or here : Video/X-MSVIDEO (.avi) 750KB or here : Video/gif (.gif) 239KB ao_cube.mov Many astrophysical domains profit from this spectacular advance in astronomical instrumentation.

The NAOS project

For two years, the European astronomers have had access to the 8.2 meters telescopes of the ESO-VLT (Very Large Telescope). The finest details that can be distinguished (the angular resolution) with an instrument of such a size is 25 millisecond of arc at a wavelength of 1 µm. This is, for example, sufficient to distinguish the number on the tee-shirt of an OM-footballer in Marseille, observed from the Great Stadium in Paris. To reach actually this resolution, or at least to approach it significantly, was the objective of Europeans with the VLT project, when deciding to equip it with the system of adaptive optics NAOS. This objective represents both a major qualitative and quantitative jump for many programs in astrophysics, from the physics of planets and satellites of our solar system, to those very remote headlights of the Universe which are the quasars, not forgetting the gas discs around stars, progenitors of the extrasolar planets discovered at high frequency these recent years.

NAOS (Nasmyth Adaptive Optics System) is an integrated system (see animation at right) (click on the image to see the animation, 3 Mo). It is autonomous, using its own optics, electronics, mechanics and computers. It provides to the camera CONICA (COUDE Near Infrared CAmera) a beam corrected from the effects of atmospheric turbulence. vrml.mov NAOS analyzes in real time the disturbances of the wave surface induced by turbulence. This analysis is made, according to the objects observed, either in the visible, or in the near infra-red (0.9-2.5µm) up to 600 times a second. The measurements are based on the light from a star present in some part of the sky observed, or, in a near future, from an artificial star created in the upper atmosphere by a laser. NaosVLT1.jpg

The corrections to be applied to the surface of the deformable flexible mirror and to the orientation of the image stabilization mirror (tip-tilt) are calculated at the same rate by a dedicated computer in real time. A nearly perfect image is provided in permanence to CONICA. The deformable mirror (115 mm diameter) of the CILAS company is controlled in 185 points (a point every 7 mm) by piezoelectric actuators which lower or raise its surface on 5 µm range. 5 computers cooperate to control NAOS, its mechanics, its wavefront sensor, its deformable optics. The system is self-configured in an optimal way according to the conditions of observations, the objects observed, or the configuration defined by the astronomer to the camera CONICA.

The Paris Observatory, pioneer in Adaptive Optics

The department DESPA of Paris Observatory, with its industrial and institutional partners, has been for more than twelve years one of the astronomical institutes leaders at the international level, in Adaptive Optics applied to Astronomy. It largely contributed to the development and to the scientific exploitation of the first instrument proving the power of this technique, the prototype COMEON, in collaboration with ESO, ONERA and Parisian industrials (Cilas). Paris Observatory has also participated to the realization of a second instrument available to the community : PUEO, the Adaptive Optics system of the Canada-France-Hawaii telescope. The prototype system COMEON obtained its first astronomical results in October 89 on the 1m50 telescope at OHP (Haute Provence), then some time after at the focus of the 3m60 telescope of ESO (La Silla, Chile). Many completely original astrophysical results were obtained. New versions of this experiment, COMEON+ then ADONIS, allowed very significant progress, in particular with a deformable mirror of 52 actuators (instead of 19 for the first version), with new wavefront sensors and with the original concepts of modal command and artificial intelligence developed in Paris Observatory. In the PUEO system of CFHT, the Paris Observatory was in charge of several subsystems and especially of the integration and characterization of the instrument. The latter, in operation for six years, has offered the best performances at international level, both for weak sources imaging (extragalactic sources) and for high quality correction thanks to the excellent site of Hawaii.

Adaptive optics and research in medical ophthalmology

The eye vitreous humor constitutes a sufficiently inhomogenous medium so that the focusing a light beam (laser, for example) cannot be made in a perfect way. It would however be of prime importance to be able to carry out such a concentration of the light, either for therapeutic goals in surgery or for research as well (concentration of stimuli on a single sensitive cell, cone or rod). Adaptative Optics is a means to solve the problem ; just born, this research is extremely promising. Under the initiative of P. Léna and the Academy of Sciences, a working group has been created in France, to which several researchers from Paris Observatory participate. An adaptive optics test bench is presently in operation on the Meudon campus and has begun to provide the first retinian images in-vivo.

Research and Developments

Several original developments were undertaken at Paris Observatory : a) The development of an entirely new concept of analysis of a wavefront in the infrared. This innovative idea allows to reach in certain cases performances higher than those with the analyzer in the visible : many stars in our Galaxy are cold or obscured by interstellar dust and emit especially in the infra-red ; besides, the infra-red matrice sensors have possibilities to address pixels at a much higher rate than those in the visible CCD. A prototype, RASOIR, was developed at DESPA then tested twice successfully on the 3m60 telescope of ESO (Chile). NAOS benefitted directly from this realization. b) The development of powerful two-axes correction mirrors : these mirrors which use a very effective feedback control system thanks to engines of strong power, specially designed, and sensors of high degree of accuracy, became components sought for in the whole world : they equip the adaptive optics systems of two 4m telescopes, and not less than 5 telescopes of 8 m will be equipped soon (VLT and Gemini). c) the DASGAL of Paris Observatory is now a specialist in the design and realization by photo-lithogravure of micro-structured optical systems : phase mask to simulate atmospheric turbulence (for NAOS in particular), matrices of micro-lenses used in the analyzers of wave fronts. Contact : Daniel Rouan (DESPA, Observatoire de Paris-Meudon) 

Dernière modification le 4 mars 2013

« Les spots sont bien centrés sur l’analyseur, la turbulence plutôt réduite, le signal suffisant, donc l’image devrait être pratiquement parfaite. On y va (click)… Wouah, exactement comme dans nos rêves ! ». C’était il y a quelques jours ou plutôt quelques nuits : pour la première fois, NAOS, le nouveau système d’optique adaptative du Very Large Telescope de l’ESO, venait de « fermer la boucle ». Il débutait sa carrière en offrant aux yeux de l’équipe qui l’avait installé puis réglé les semaines précédents, la récompense d’images superbes, 20 fois plus piquées que celles jusqu’ici obtenues par le VLT, dans un site pourtant jugé comme l’un des meilleurs au monde, celui du Cerro Paranal qui borde le désert aride d’Atacama dans le nord du Chili. NAOS a été conçu, construit et caractérisé par un consortium comprenant l’ONERA (maître d’œuvre), l’Observatoire de Paris, le LAOG de Grenoble et avec la participation de la division technique de l’INSU du CNRS. L’ESO a financé la construction de NAOS et a participé à certains sous-systèmes. La photo suivante montre NAOS (la structure cylindrique bleue claire) installé au foyer Nasmyth de Yepun, le plus récent des quatre télescopes du VLT. NaosUT4.jpg NaosConica.jpg

NAOS permet d’aiguiser le regard d’un des quatre télescopes géants en lui redonnant la capacité - prédite par l’optique ondulatoire - de distinguer des détails d’autant plus fins que les miroirs sont de grande taille, capacité dont l’atmosphère l’avait privé. C’est en appliquant, 600 fois par seconde, des commandes à un miroir souple muni de 185 micro-moteurs, que NAOS arrive à compenser les creux et les bosses que la traversée de l’atmosphère a imprimé dans l’onde lumineuse. Restituée pratiquement telle qu’elle était avant son entrée dans l’atmosphère, cette onde peut alors être focalisée pour former une image quasi-parfaite sur une caméra. NAOS fournit ses images corrigées à CONICA, une caméra infrarouge construite par un consortium de laboratoires en Allemagne.

Les images ci-dessous illustrent le gain remarquable apporté par l’optique adaptative NAOS en comparant la photo d’un même objet, l’amas stellaire dense NGC 3603 dans la constellation de la Carène, obtenue avec la caméra ISAAC du VLT (sans optique adaptative) et avec NAOS/CONICA. Le nombre d’étoiles détectées, en particulier les étoiles de très faible éclat, est très supérieur sur l’image obtenue avec NAOS/CONICA : cela permet une étude détaillée de la façon dont les étoiles se répartissent, depuis les faibles jusqu’au très grande masses, lors du processus de formation stellaire. Cette région est particulièrement intéressante de ce point de vue, car elle est le siège d’une activité de formation stellaire parmi les plus intenses de notre Galaxie. ngc3603ISAAC.jpg ngc3603naos.jpg

La région de Kleinmann-Low autour de l’objet de Becklin-Neugebauer dans la grande nébuleuse d’Orion. Située à deux pas des quatre étoiles du trapèze d’Orion, il s’agit d’une région extrêmement active du point de vue de la formation d’étoiles : elle contient en particulier un amas stellaire très jeune, encore enfoui dans le cocon de gaz et de poussière ou pudiquement il a vu le jour. Ce n’est que dans l’infrarouge que ces bébé-étoiles peuvent être observées. La source la plus brillante est l’objet de Becklin-Neugebauer (BN) : c’est l’un des objets les plus étudiés dans la classe des proto-étoiles, ces étoiles qui n’ont pas encore atteint le stade où les réactions de fusion nucléaire sont établies, comme dans notre soleil. L’image de NAOS va permettre d’étudier les éjections de matière très importantes qui caractérisent la phase proto-stellaire, ainsi que la formation des étoiles de très petite masse qui apparaissent comme les sources les plus faibles sur cette image. Parmi ces sources, des "naines brunes" sont très certainement présentes. Cette image a été obtenue en utilisant l’analyseur de surface d’onde infrarouge réalisé par le DESPA à l’Observatoire de Paris. La source BN sert de référence à l’analyseur. bn.jpg Tous les domaines de l’astrophysique vont bénéficier de ce remarquable bond en finesse de détails : depuis les études de petits corps (satellites et astéroïdes) de notre système solaire, jusqu’aux galaxies lointaines dont on pourra mieux connaître la formation, à une époque où l’Univers était beaucoup plus jeune. L’Observatoire de Paris, pionnier dans le domaine de l’optique adaptative, a été un des trois partenaires de cette très belle réussite. Il a en particulier été responsable de la mise au point de plusieurs sous-systèmes critiques miroir de basculement 2-axes, analyseur de surface d’onde infrarouge, simulateur de turbulence) et de la phase finale d’assemblage et de caractérisation qui a été conduite dans un hall d’intégration du CNRS à Bellevue, à quelques centaines de mètres de l’Observatoire de Meudon où avaient réalisés et testés des ensembles opto-mécaniques et électroniques. L’équipe de l’Observatoire de Paris, conduite par des chercheurs, ingénieurs et techniciens du DESPA a également bénéficié d’une participation active d’ingénieurs et techniciens du DASGAL et de la Division Technique de l’Institut des Sciences de l’Univers du CNRS. Ce même institut a, par ailleurs, apporté un soutien financier important en particulier pour l’équipement du hall d’intégration, soutien complété par des actions de l’Observatoire de Paris sur ses fonds propres.

Pour en savoir plus :

La haute résolution angulaire et l’optique adaptative. La résolution angulaire d’un télescope caractérise sa capacité à distinguer des détails fins. Plus un télescope est grand, plus cette capacité est théoriquement importante (l’angle sous lequel on voit le plus petit détail est donné par le rapport de la longueur d’onde à laquelle se fait la mesure, au diamètre du télescope). En fait, les couches turbulentes de l’atmosphère déforment légèrement les images et les télescopes, même dans les meilleurs sites, n’obtiennent un piqué d’image qui est 20 à 50 fois moins bon que la limite théorique : les détails qui intéresseraient l’astrophysicien sont ainsi perdus.

L’optique adaptative consiste à corriger de ces effets de l’atmosphère, en temps réel, en agissant plusieurs centaines de fois par seconde sur un miroir déformable qui compense ces distorsions en produisant des déformations de signe opposé. L’image est ainsi restituée dans sa finesse originale, celle d’avant l’entrée dans l’atmosphère. L’animation ci-contre illustre le principe de l’optique adaptative (cliquer sur l’image pour voir l’animation, Video/Quicktime 657KB) ou ici : Video/X-MSVIDEO (.avi) 750KB ou là : Video/gif (.gif) 239KB ao_cube.mov De nombreux domaines de l’astrophysique bénéficient de cette avancée spectaculaire en matière d’instrumentation astronomique.

Le projet NAOS

Depuis deux ans, les astronomes européens ont accès aux télescopes de 8 mètres de diamètre du VLT (Very Large Telescope). Le plus fin détail qu’on peut distinguer (la résolution angulaire) avec un instrument d’une telle taille est de 25 milliseconde d’arc à une longueur d’onde de 1 µm. C’est, par exemple, suffisant pour distinguer son numéro sur le maillot d’un footballeur de l’OM, observé depuis le stade de France… Atteindre effectivement ce pouvoir de résolution, ou tout au moins s’en approcher significativement, est l’objectif que les européens avaient assigné au projet VLT, en décidant de le doter du système d’optique adaptative NAOS. Cet objectif représente un saut à la fois qualitatif et quantitatif majeur pour de très nombreux programmes en astrophysique, depuis la physique des planètes et des satellites de notre système solaire, jusqu’aux très lointains phares de l’Univers que sont les quasars, en passant par les disques de gaz autour des étoiles, progéniteurs des planètes extrasolaires découvertes à un rythme élevé ces dernières années.

NAOS (Nasmyth Adaptive Optics System) est un système intégré (voir l’ animation ci-contre) (cliquer sur l’image pour voir l’animation, 3 Mo). Il est autonome, faisant appel à de l’optique, de l’électronique, de la mécanique et de l’informatique. Il fournit à la caméra CONICA (COude Near Infrared CAmera) un faisceau corrigé des effets de la turbulence atmosphérique. vrml.mov NAOS analyse en temps réel les perturbations de surface d’onde induites par la turbulence. Cette analyse est faite, selon les objets observés, soit dans le visible, soit dans l’infrarouge proche (0.9-2.5µm) jusqu’à 600 fois par seconde, à partir de la lumière d’étoiles présentes dans la partie du ciel observée, ou, dans un futur proche, d’étoiles artificielles crées dans la haute atmosphère par un laser. NaosVLT1.jpg Les corrections à appliquer à la surface d’un miroir souple déformable et à l’orientation d’un miroir de stabilisation d’image (tip-tilt) sont calculées au même rythme élevé par un ordinateur temps réel dédié. Une image quasi parfaite est fournie en permanence à CONICA. Le miroir déformable (115 mm de diamètre) de la société CILAS est contrôlé en 185 points (un point tous les 7 mm) par des actionneurs piézoélectriques qui abaissent ou soulèvent sa surface sur 5 µm de course. 5 calculateurs coopèrent pour contrôler NAOS, sa mécanique, ses analyseurs de surface d’onde, son optique déformable. Le système s’auto-configure de manière optimale en fonction des conditions d’observations, des objets observés, ou de la configuration d’observation, définie par l’astronome, de la caméra CONICA.

L’Observatoire de Paris, pionnier de l’Optique Adaptative

Le DESPA de l’Observatoire de Paris, avec ses partenaires industriels et institutionnels, est depuis plus de douze ans l’un des instituts astronomiques leaders au niveau international, en matière d’Optique Adaptative appliquée à l’Astronomie. Il a largement contribué à la mise au point et à l’exploitation scientifique du premier instrument ayant prouvé la puissance de cette technique, le prototype COMEON, en collaboration avec l’ESO, l’ONERA et des industriels d’Ile de France (Cilas ). L’OdP a été également partie prenante de la réalisation d’un second instrument auquel la communauté a eu accès : PUEO, le système d’Optique Adaptative du télescope Canada-France-Hawaii. Le système prototype COMEON obtenait ses premiers résultats astronomiques en octobre 89 sur le télescope de 1m50 de l’Observatoire de Haute Provence, puis peu de temps après au foyer du télescope de 3m60 de l’ESO (La Silla, Chili). De nombreux résultats astrophysiques tout à fait originaux ont été obtenus depuis. De nouvelles versions de cette expérience, COMEON+ puis ADONIS, ont permis des progrès très sensibles, notamment en intégrant un miroir déformable de 52 actionneurs (contre 19 pour la première version), de nouveaux analyseurs de front d’onde et les concepts originaux de commande modale et d’intelligence artificielle mis au point à L’Observatoire de Paris. Dans le système PUEO du CFHT, l’OdP a eu la charge de plusieurs sous-systèmes et surtout de la phase d’intégration et de caractérisation de l’instrument. Celui-ci, en opération depuis six ans, a offert pendant plusieurs années les performances les meilleures au niveau mondial, tant en capacité à imager des sources faibles (sources extragalactiques) qu’en qualité de la correction grâce à l’excellence du site d’Hawaii.

Optique Adaptative et recherches en ophtalmologie médicale

L’humeur vitrée de l’oeil constitue un milieu suffisamment inhomogène pour que la focalisation d’un faisceau lumineux (laser, par exemple) ne puisse se faire de façon parfaite. Il serait pourtant important de pouvoir réaliser une telle concentration de la lumière, que ce soit à des fins thérapeutiques en chirurgie ou bien à des fins de recherche (concentration d’un stimuli sur une cellule sensible, cône ou bâtonnet, unique). L’Optique Adaptative est un moyen pour pallier cette difficulté ; tout juste naissante, cette voie de recherche s’avère extrêmement prometteuse. A l’initiative de P. Léna et de l’Académie des Sciences, il s’est mis en place en France un groupe de travail sur ce thème, dont plusieurs chercheurs de l’Observatoire de Paris sont partie prenante. Un banc d’optique adaptative fonctionne actuellement dans les laboratoires du campus de Meudon et a commencé à fournir des premières images rétiniennes in-vivo.

Recherche et développements :

Plusieurs développements originaux ont été menés à l’Observatoire de Paris : a) Le développement du concept entièrement nouveau d’analyse de front d’onde en infrarouge. Cette idée novatrice permet d’atteindre dans certains cas des performances supérieures à celles des analyseurs de surface d’onde visible : beaucoup d’étoiles les plus courantes de notre Galaxie sont froides ou sont dissimulées par la poussière interstellaire et émettent surtout dans le domaine infrarouge, d’autre part les capteurs matriciels infrarouges ont des possibilités d’adressage des pixels très supérieures à celles des CCD visibles. Un prototype, RASOIR, a été développé au DESPA puis testé à deux reprises avec succès sur le télescope de 3m60 de l’ESO (Chili). NAOS a profité très directement de cette réalisation. b) La mise au point de miroirs de correction deux-axes très performants : ces miroirs qui utilisent un asservissement très efficace grâce à des moteurs de forte puissance, conçus spécialement, et des capteurs de grande précision sont devenus des composants recherchés dans le monde entier : ils équipent les systèmes d’optique adaptative de deux télescopes de 4m, et pas moins de 5 télescopes de 8 m en seront prochainement dotés (VLT et Gemini). c) Le DASGAL de l’Observatoire de Paris s’est fait une spécialité dans la conception et la réalisation par des méthodes de photo-lithogravure de systèmes optiques micro-structurés : masques de phase pour simuler de façon réaliste la turbulence atmosphérique (utilisé dans NAOS en particulier), matrices de micro-lentilles utilisées dans des analyseurs de surface d’onde. Contact : Daniel Rouan (DESPA, Observatoire de Paris, site de Meudon) 

Dernière modification le 22 février 2013