Efforts du Canada dans le cadre du développement d’un très grand télescope optique (VLOT)

Dennis Crabtree (CNRC-IHA)

Introduction

Le développement d’un très grand télescope optique est un projet de très haute priorité pour le plan à long terme (LRP) pour l’astronomie. On prévoit que la construction de ce télescope débutera vers le milieu de la deuxième décennie du XXI^e siècle. Il s’est produit une évolution rapide des concepts de télescopes extrêmement grands (ELT) dans le monde entier depuis l’élaboration du LRP en 1999, y compris au Canada, et il est maintenant probable que la construction d’un tel télescope débute au cours des cinq prochaines années. Les efforts du Canada jusqu’à présent nous ont permis de bien nous positionner pour jouer un rôle dans un projet international de construction d’un ELT. Le présent rapport est un résumé de la situation actuelle du projet du VLOT et des étapes à suivre.

Structure du projet

Les travaux en vue du VLOT ont commencé doucement vers le début de 2000. Le CNRC avait accordé à l’IHA une petite somme de financement relais au cours de l’exercice financier 2001-2002 en supposant que le financement pour le LRP serait accordé l’année suivante. Le CNRC annonçait vers le début de 2002 (voir http://www.casca.ca/ecass/issues/2002-me/content_fs.html) l’accord d’un financement de trois ans pour les travaux de développement du VLOT dans le cadre du plan à long terme de l’IHA. Pendant ce temps, la société AMEC Dynamic Structures avait également investi une quantité importante de ressources internes pour faire les études et la conception des enceintes et de la structure du télescope.

En 2001, on avait établi un Comité directeur scientifique (SSC) du VLOT ainsi qu’un bureau de projet du CNRC-IHA. Le SSC a fourni des conseils au responsable du projet (Carlberg), tandis que le bureau de projet a fourni des directives pour les travaux techniques du Canada. Le SSC a recommandé unanimement que le Canada soit un associé à part entière et égale dans tout projet futur.

Facteurs scientifiques

Quels facteurs scientifiques guideront le développement de la prochaine génération d’ELT? Un des buts scientifiques majeurs est de caractériser les systèmes planétaires et les disques protoplanétaires extérieurs que l’on découvre rapidement grâce aux télescopes existants. La caractérisation des planètes pourrait devenir un facteur majeur des exigences relatives au télescope, puisqu’elle dépendra d’éléments optiques très précis alimentant un système d’optique adaptatif extrême muni de dizaines de milliers de positionneurs.

Un autre facteur scientifique majeur est celui de la question des premières sources de lumière dans l’Univers. Ses sources primordiales sont-elles les étoiles chaudes massives prédites par les théoréticiens? Sont-elles complètement dépourvues d’éléments autres que l’hydrogène et l’hélium produits lors du Big bang? Quels mécanismes de formation stellaire dans les galaxies ont permis la création du reste des éléments?

Les autres facteurs scientifiques comprennent la formation et l’évolution des galaxies, l’évolution de structures à grande échelle, la FMI stellaire et la physique de la fragmentation et la nature de la matière noire et de l’énergie noire.

Conception du VLOT

Le VLOT est un télescope à miroir segmenté de 20 mètres de conception optique agressive (primaire de f/1) qui pourrait répondre aux exigences du Plan d’ensemble de Mauna Kea et être construit sur le site du TCFH. Le plan de base comprend l’utilisation de 150 segments hexagonaux de 1,8 m pour former l’ouverture de 20 m. Les segments situés le plus à l’extérieur sont de forme assez asphérique (286 mm) par contraste avec l’approche adoptée pour le CELT (California Extremely Large Telescope), selon laquelle on emploie un primaire de f/1.5 et des segments de 1 m (asphéricité de 20 mm). Le miroir primaire rapide exige une structure plus courte et rigide ainsi qu’une enceinte plus petite et moins coûteuse.

Le télescope est muni de deux plates-formes Nasmyth verticales pour monter les instruments, une de chaque côté. On a choisi cette approche pour éliminer les effets du changement du vecteur de gravité sur les instruments.

La structure du télescope comprend deux grandes roues-palier hydrostatiques de 12 m de diamètre, un support à miroir monocoque et un support secondaire quadrupode construit d’acier et de composite de carbone.

L’enceinte est du type Calotte, un couvercle tournant avec une ouverture circulaire. Cette configuration offre plusieurs avantages par comparaison aux enceintes à fentes traditionnelles. L’ouverture de la configuration en Calotte est la plus petite ouverture possible pour une grandeur de télescope donnée. On prévoit que cette configuration aura une rigidité plus grande et uniforme qu’une enceinte conventionnelle comparable. Les enceintes conventionnelles ont typiquement deux grandes poutres en forme d’arches de chaque côté de la fente. Ces poutres créent une zone relativement rigide près de la fente et des endroits comparativement plus souples plus loin de la fente, menant à une distribution de masse très variable sur le système d’entraînement du dôme. De plus, ce genre d’enceinte consomme beaucoup moins d’énergie que les configurations conventionnelles.

Figure 1. La structure et l’enceinte du VLOT.

Efforts du Canada

Les efforts du Canada sont axés sur les principales difficultés posées par la prochaine génération de télescopes optiques. La plupart des problèmes scientifiques des ELT concernent les éléments optiques adaptatifs pouvant produire des images limitées par la diffraction afin d’atteindre une meilleure résolution spatiale et le gain de temps d’intégration proportionnel à D⁴ dans le cas de sources ponctuelles limitées par le fond. L’exigence relative à la qualité des images impose des exigences strictes sur tous les aspects de la conception du télescope.

Les segments de miroir du VLOT devront être polis à une tolérance beaucoup plus petite que ceux des télescopes Gemini ou VLT. Nous avons récemment financé une étude conjointement avec le TCFH et la France, par Sagem (anciennement REOSC), sur les approches techniques, les coûts et le calendrier de production des segments de miroir du VLOT. Selon Sagem, elle pourrait utiliser une combinaison de techniques existantes et nouvelles pour produire et tester les segments du VLOT nécessaires dans un temps raisonnable. Nous financerons probablement la production d’un segment de démonstration de 1,8 m comme prochaine étape vers la production véritable des segments du miroir primaire.

Les effets du vent, en ce qui concerne la force exercée sur la structure du télescope et la cellule de miroir et l’épuration thermique de l’enceinte, sont d’une importance cruciale pour le rendement du VLOT. L’enceinte joue un rôle crucial dans la protection du télescope contre le vent et permet une épuration thermique adéquate de l’intérieur de l’enceinte. Le CNRC-IHA a organisé un atelier sur la modélisation des vents vers la fin février auquel ont participé des employés du CNRC-IHA, du CNRC-IRA (Institut de recherche aérospatiale), l’UTIAS (University of Toronto Institute for Aerospace Studies), de la firme RWDI (une entreprise se spécialisant dans les forces exercées par le vent sur les structures), de la firme AMEC et de l’UBC. Les conclusions de cet atelier ont montré clairement que le Canada peut jouer un rôle crucial dans la compréhension des effets du vent en organisant des essais en soufflerie et en faisant des études à l’aide de CFD (dynamique des fluides computationnelle). Des études des effets du vent seront menées à contrat dans le cadre du projet du VLOT au cours des deux prochaines années afin d’optimiser la conception de l’enceinte et du télescope en ce qui a trait aux effets du vent.

Figure 2 Contours de vitesse du vent pour une enceinte du type calotte

Modélisation intégrée

La modélisation intégrée du VLOT nous permettra de mieux comprendre les compromis entre les différents modèles et à choisir celui qui répond le mieux aux exigences scientifiques. Le modèle intégré (IM) est conçu pour étudier le rendement dynamique et optique du télescope en entier soumis à diverses perturbations de la gravité, des vents, de la température, etc. Par exemple, le vent soufflant sur la cellule du miroir primaire exerce une pression sur les segments de miroir et les déplace légèrement; ce déplacement étant détecté par les capteurs placés aux bords des miroirs. Cette information sera entrée dans le système de commande du miroir qui actionnera des positionneurs afin de corriger l’emplacement de chacun des 150 segments. Pendant que cette boucle de commande est en opération, un système de traçage de rayons optiques calcule l’effet de la force exercée par le vent sur la qualité de l’image produite. Cet exemple a été beaucoup simplifié, car en réalité, on doit tenir compte des effets du vent sur la stucture du télescope, les miroirs secondaires et les miroirs tertiaires, des effets thermiques (vision du miroir et de l’enceinte), du rendement de l’optique adaptatif, etc.

Le CNRC-IHA a investi une quantité importante de ressources dans le modèle intégré et continuera à le faire au cours des deux prochaines années. Le grand éventail d’expertise acquise par le CNRC-HIA sera d’une valeur inestimable pour le développement du modèle intégré.

Figure 3 Schéma du modèle intégré

Les prochaines étapes

En Europe, les deux principaux projets d’ELT, OWL et Euro 50, se sont plus ou moins fusionnés et tenteront d’obtenir des fonds de la Commission européenne pour faire leurs études. La France a alloué une certaine quantité de ressources pour étudier les successeurs du TCFH. À présent, il est peu probable que cet effort joue un rôle dans la « perspective » française, leur exercice de planification quinquennal en cours à ce moment.

En Amérique du Nord, le GSMT (télescope géant à miroir segmenté), tel que mentionné dans le US Decadal Review, était vu comme un télescope de 30 m développé conjointement par le secteur privé et le secteur public. Le CELT et le groupe du TMT (télescope de vingt mètres) sont les deux projets « privés » des États-Unis considérés sérieusement en ce moment. Il est probable que le côté public du GSMT soit réalisé par le Bureau des nouvelles initiatives de l’AURA qui est financé principalement par le NOAO, avec un peu de support de Gemini.

Le Canada collabore avec le CELT, le TMT et le NIO sur le plan scientifique et technique. Le NSF a créé un groupe de travail scientifique du GSMT afin de déterminer les facteurs scientifiques ayant un effet sur le développement d’un GSMT et Carlberg fait partie de ce groupe. Le Canada est resté en contact avec le CELT et le TMT et ces groupes ont élaboré davantage leurs plans de développement et de financement. Le bureau de projet canadien entretient une bonne relation de travail avec le NIO, avec lequel il partage des connaissances et des plans techniques. Cette coordination technique a récemment été élargie dans le domaine de la modélisation des vents et comprend maintement le CELT.

Au Canada, le développement d’ACURA (voir l’article dans ce numéro) a mené à une modification de l’approche traditionnelle au financement et à la gestion des grands projets d’infrastructures astronomiques. Au chapitre du financement, ACURA donnera à notre communauté accès aux fonds considérables disponibles de la Fondation canadienne pour l’innovation (FCI). À cet effet, une importante proposition sera déposée auprès de la FCI en mai pour permettre au Canada de participer à la conception et à la construction préliminaire d’un ELT. Le Canada signalera probablement bientôt son intention de se joindre aux efforts des États-Unis et de former un projet international. Les efforts faits par le Canada jusqu’à présent l’ont mis dans une bonne position pour devenir un associé « à part entière et égale » sur le plan scientifique et technique dans un futur projet d’ELT.