Une nouvelle technique d'imagerie utilisée pour la première fois sur un télescope au sol a aidé une équipe d'astronomes dirigée par l'UCLA à réaliser la mesure la plus précise jamais réalisée du disque entourant une étoile, révélant une structure inédite.
Cette avancée ouvre une nouvelle voie aux astronomes pour étudier les moindres détails d’une grande variété d’objets astronomiques et ouvre la porte à de nouvelles découvertes sur l’univers.
La capacité de visualiser les moindres détails des objets astronomiques dépend de la taille du télescope. À mesure que l’ouverture d’observation d’un télescope s’agrandit, il collecte davantage de lumière pour révéler des objets plus faibles, et ses images peuvent également devenir plus nettes. Les détails les plus précis sont obtenus en reliant les télescopes en réseaux.
Construire des télescopes plus grands ou les relier en réseaux a été essentiel pour obtenir les images haute résolution nécessaires à la découverte de nouveaux détails aux échelles les plus fines visibles dans le ciel.
Avec la nouvelle lanterne photonique, il est possible de mieux utiliser la lumière collectée par un télescope pour obtenir une haute résolution. Les détails de la réalisation sont publiés dans Les lettres du journal astrophysique.
« En astronomie, les détails les plus nets de l'image sont généralement obtenus en reliant les télescopes entre eux. Mais nous l'avons fait avec un seul télescope en introduisant sa lumière dans une fibre optique spécialement conçue, appelée lanterne photonique. Cet appareil divise la lumière des étoiles en fonction de ses schémas de fluctuation, conservant les détails subtils qui seraient autrement perdus. En réassemblant les mesures des sorties, nous pourrions reconstruire une image à très haute résolution d'un disque autour d'un objet proche. star », a déclaré le premier auteur et candidat au doctorat à l'UCLA, Yoo Jung Kim.
La lumière collectée par le télescope est divisée par la lanterne photonique en plusieurs canaux basés sur la forme du front d'onde (comme si on séparait un accord en notes de musique individuelles), puis divisée par couleur, comme un arc-en-ciel.
La lanterne photonique elle-même a été conçue et fabriquée par l'Université de Sydney et l'Université de Floride centrale et fait partie du nouvel instrument FIRST-PL développé et dirigé par l'Observatoire de Paris et l'Université d'Hawaï. Cet instrument est intégré à l'instrument Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics du télescope Subaru à Hawai'i, exploité par l'Observatoire astronomique national du Japon.
« Ce qui m'enthousiasme le plus, c'est que cet instrument allie la photonique de pointe à l'ingénierie de précision réalisée ici à Hawaï », a déclaré Sébastien Vievard, membre du corps professoral de l'Initiative des sciences et de l'ingénierie spatiales de l'Université d'Hawaï, qui a contribué à diriger la construction. « Cela montre comment la collaboration à travers le monde et entre les disciplines peut littéralement changer notre façon de voir le cosmos. »
L’approche, qui divise la lumière en ses différentes composantes, permet une nouvelle technique d’imagerie capable d’atteindre une résolution plus fine que les méthodes d’imagerie traditionnelles.
« Pour tout télescope d'une taille donnée, la nature ondulatoire de la lumière limite la finesse des détails que vous pouvez observer avec les caméras d'imagerie traditionnelles. C'est ce qu'on appelle la limite de diffraction, et notre équipe a travaillé pour utiliser une lanterne photonique pour faire avancer ce qui est réalisable à cette frontière », a déclaré Michael Fitzgerald, professeur de physique et d'astronomie à l'UCLA.
« Ce travail démontre le potentiel des technologies photoniques pour permettre de nouveaux types de mesures en astronomie », a déclaré Nemanja Jovanovic, co-responsable de l'étude au California Institute of Technology. « Nous ne faisons que commencer. Les possibilités sont vraiment passionnantes. »
Lors de l'application de cette nouvelle méthode, les scientifiques ont d'abord été gênés par les turbulences de l'atmosphère terrestre. L'effet, qui est similaire à la façon dont l'horizon apparaît parfois ondulé ou aqueux lors d'une chaude journée d'été, fait fluctuer et bouger les objets observés à travers le télescope. Pour corriger ces effets, l'équipe du télescope Subaru a utilisé une optique adaptative, qui annule en permanence les effets de turbulence pour stabiliser les ondes lumineuses en temps réel. Par nécessité, les chercheurs sont allés plus loin, en recherchant la clarté.
« Nous avons besoin d'un environnement très stable pour mesurer et récupérer des informations spatiales à l'aide de cette fibre », a déclaré Kim. « Même avec l'optique adaptative, la lanterne photonique était si sensible aux fluctuations du front d'onde que j'ai dû développer une nouvelle technique de traitement des données pour filtrer les turbulences atmosphériques restantes. »
L’équipe a utilisé le télescope Subaru équipé d’une lanterne photonique pour observer une étoile appelée bêta Canis Minoris (β CMi). Cette étoile, située dans la constellation Canis Minor, se trouve à environ 162 années-lumière de la Terre et est entourée d'un disque constitué d'hydrogène. Le disque tourne si rapidement autour de l’étoile que le gaz qui se dirige vers nous devient plus bleu, tandis que le gaz qui s’éloigne apparaît plus rouge.
Cela est dû à l’effet Doppler, qui décrit des phénomènes tels que le pas plus élevé d’une voiture qui s’approche et le pas plus bas d’une voiture qui s’éloigne. Ce changement de couleur provoque un léger déplacement de la position apparente de la lumière du système avec la longueur d'onde.
En appliquant de nouvelles techniques informatiques, l’équipe a mesuré ces changements d’image dépendants de la couleur avec une précision environ cinq fois supérieure à ce qui était auparavant possible. Au-delà de la confirmation de la rotation du disque, ils ont découvert que le disque était déséquilibré.
« Nous ne nous attendions pas à détecter une telle asymétrie, et ce sera la tâche des astrophysiciens modélisant ces systèmes d'expliquer sa présence », a déclaré Kim.
La nouvelle approche de l’imagerie permettra aux astronomes et aux astrophysiciens de visualiser les détails d’objets plus petits et plus éloignés que jamais, révélant ainsi des réponses à certains mystères et, comme dans le cas du disque déséquilibré autour de β CMi, conduisant à de nouveaux mystères qui doivent être résolus.
L'effort international comprenait des chercheurs du groupe Space Science and Engineering Initiative de l'Université d'Hawaï, de l'Observatoire astronomique national du Japon, du California Institute of Technology, de l'Université d'Arizona, du Centre d'astrobiologie du Japon, de l'Observatoire de Paris, de l'Université de Floride centrale, de l'Université de Sydney et de l'Université de Californie à Santa Cruz.
