Comparing the contrast performance of two IFU technologies for exoplanet direct imaging with ELT-PCS

Imaginez que vous essayez de prendre une photographie d'une minuscule luciole lumineuse posée sur le bord d'un projecteur massif et aveuglant. La luciole est votre exoplanète, et le projecteur est son étoile hôte. Dans le monde de l'astronomie, c'est le défi ultime : l'imagerie directe. L'étoile est si éblouissante qu'elle efface la faible lumière de la planète, rendant la planète invisible pour les caméras standards. Pour résoudre cela, les astronomes utilisent des « lunettes de soleil » spéciales appelées coronographes pour bloquer l'éclat de l'étoile, et des « lunettes » ultra-précises appelées optique adaptative pour corriger le flou causé par l'atmosphère terrestre. Mais même avec ces outils, la planète reste cachée dans l'ombre. Pour la voir, vous avez besoin d'une caméra capable de diviser la lumière en un arc-en-ciel (spectroscopie) pour analyser l'atmosphère de la planète, mais faire cela sans perdre le contraste délicat nécessaire pour repérer la planète revient à essayer d'attraper un murmure dans un ouragan.

C'est ici qu'entre en scène l'histoire de l'instrument ELT-PCS. Le Planetary Camera and Spectrograph (ELT-PCS) est une future super-caméra prévue pour l'Extremely Large Telescope (ELT) de 39 mètres. Sa mission est de trouver des mondes rocheux autour d'étoiles proches. Pour ce faire, elle doit atteindre un contraste de 10⁻⁹ (voir quelque chose un milliard de fois plus faible que l'étoile) à certaines distances. La grande question à laquelle les scientifiques ont été confrontés était : quelle est la meilleure « lentille » pour alimenter cette caméra ? Ils avaient deux principaux prétendants : les trancheurs d'image (Image Slicers), qui découpent l'image en bandes et les réorganisent comme un puzzle, et les réseaux de lentilles (Lenslet Arrays), qui utilisent une grille de minuscules lentilles pour diviser l'image en de nombreux petits points. Choisir la mauvaise option pourrait faire la différence entre la découverte d'un nouveau monde et la vision de rien d'autre que du bruit statique.

Les chercheurs de l'Université d'Oxford ont construit un banc d'essai de laboratoire modulaire et ingénieux pour trancher ce débat. Considérez cela comme une « soufflerie » pour la lumière. Au lieu d'attendre un véritable télescope, ils ont créé une simulation sur leur banc optique. Ils ont utilisé un dispositif spécial appelé Modulateur de Lumière Spatiale (SLM) pour imiter l'atmosphère désordonnée et vacillante, et un coronographe de Lyot pour bloquer la lumière de « l'étoile », injectant ainsi une image parfaite, limitée par la diffraction, dans leurs deux technologies de caméra concurrentes. Ils ont ensuite mesuré la capacité de chaque système à détecter une faible « planète » à côté de l'« étoile » bloquée.

Voici ce qu'ils ont découvert. Dans les données brutes, sans aucun artifice informatique sophistiqué, le réseau de lentilles a été le champion aux distances très proches de l'étoile (moins de 6 fois la largeur de la figure de diffraction de l'étoile, ou 6λ/D). Il a réussi à creuser plus profondément dans l'obscurité que le trancheur d'image dans cette zone spécifique. Cependant, le trancheur d'image possédait une arme secrète : il pouvait être couplé à une technique appelée « déconvolution spectrale ». C'est comme un tour de magie de post-traitement où l'ordinateur utilise le fait que la lumière de la planète se déplace légèrement différemment selon les couleurs par rapport au bruit de l'étoile. Lorsqu'ils ont appliqué ce truc, le trancheur d'image a décollé. Il a acquis un avantage massif, particulièrement à de petites séparations. À une distance de 4λ/D, le trancheur d'image avec déconvolution spectrale était 3,4 fois meilleur pour trouver la planète que le réseau de lentilles. En fait, avec ce traitement, la performance du trancheur d'image est devenue si bonne qu'elle a atteint le « plancher de bruit » — le point où la seule chose empêchant de voir des objets encore plus faibles est le bruit électronique de la caméra elle-même.

L'article précise avec prudence qu'il s'agit de résultats initiaux issus d'une expérience en laboratoire. Les tests du réseau de lentilles ont été réalisés sans le coronographe complet et la simulation atmosphérique que possédait le trancheur d'image ; une course tête-à-tête parfaitement équitable sous des conditions extrêmes identiques est donc encore à l'ordre du jour. Les auteurs suggèrent que, bien que le réseau de lentilles soit excellent pour les vues larges, le trancheur d'image, lorsqu'il est combiné à un traitement informatique intelligent, pourrait être le choix supérieur pour la tâche la plus difficile de l'ELT-PCS : repérer de minuscules planètes rocheuses juste à côté de leurs étoiles aveuglantes. L'équipe prévoit de transporter ce banc d'essai à l'Observatoire Européen Austral (ESO) pour le faire fonctionner derrière un véritable système d'optique adaptative à deux étages afin de confirmer ces conclusions.