Cryogenic characterisation for the Nulling Interferometry Cryogenic Experiment (NICE)

Au plus profond du silence glacial de l'espace, bien au-delà de la portée de la chaleur de la Terre, les astronomes espèrent construire un télescope capable de percevoir la lueur ténue de mondes semblables au nôtre. Pour trouver ces planètes lointaines, qui orbitent autour d'étoiles dans la « zone habitable » où l'eau liquide pourrait exister, les scientifiques doivent bloquer la lumière aveuglante de l'étoile parente. Ils prévoient de le faire en utilisant une technique appelée l'interférométrie à annulation, qui combine la lumière de plusieurs télescopes de telle manière que la lumière brillante de l'étoile s'annule elle-même, ne laissant visible que le signal faible d'une planète. Cependant, pour que cette annulation délicate fonctionne, les instruments doivent être maintenus incroyablement froids. Si l'équipement est chaud, il brille de sa propre chaleur infrarouge, noyant le faible signal planétaire. Le défi consiste à construire une machine capable de survivre aux températures glaciales de l'espace tout en maintenant ses miroirs et ses supports parfaitement immobiles, à l'échelle d'un seul atome.

Une équipe de chercheurs de l'ETH Zurich et du Laboratoire de l'espace français a franchi une étape importante vers la résolution de ce problème avec une nouvelle installation expérimentale appelée l'« Ice Cube ». Ce dispositif est un petit réfrigérateur spécialisé conçu pour tester le comportement des composants optiques lorsqu'ils sont refroidis à des températures extrêmes. L'objectif ultime est de préparer la mission LIFE, un futur observatoire spatial qui cherchera des exoplanètes semblables à la Terre. Alors que les tests précédents étaient effectués à température ambiante, la nouvelle mission nécessite des instruments fonctionnant à des températures aussi basses que 15 Kelvin, ce qui n'est que 15 degrés au-dessus du zéro absolu. Les chercheurs avaient besoin d'un moyen de refroidir rapidement et de tester de petites parties du télescope pour s'assurer qu'elles ne se déforment pas ou ne se déplacent pas lorsqu'elles sont exposées à des conditions aussi glaciales.

L'« Ice Cube » est une chambre à vide compacte et modulaire qui abrite un refroidisseur à tube à impulsions, une machine qui fait circuler du gaz froid pour refroidir l'intérieur sans la vibration de pièces mobiles. Sa conception est intelligemment organisée de sorte que la machinerie de refroidissement soit située sur le côté, laissant le haut et les côtés de la chambre complètement ouverts. Cela permet aux scientifiques de remplacer facilement différents miroirs et supports sans avoir à démonter l'ensemble du système de refroidissement. À l'intérieur, un récipient en acier inoxydable contient deux couches de blindage thermique, qui agissent comme des barrières pour empêcher la chaleur extérieure d'atteindre le cœur interne. Le blindage interne et la table optique où reposent les miroirs sont refroidis à environ 10 Kelvin. L'équipe a conçu les supports pour qu'ils fléchissent légèrement lorsque le métal se contracte dans le froid, garantissant que les miroirs restent plats et alignés plutôt que de se déformer sous l'effet du stress thermique.

Pour observer ce qui arrive aux miroirs lorsqu'ils refroidissent, l'équipe a construit un système de mesure sophistiqué utilisant un laser et une technique appelée PISTIL. Cette méthode consiste à diviser un faisceau laser en de nombreuses petites sections et à les recombiner pour créer un motif de bandes claires et sombres, appelées franges. Si un miroir se déplace ne serait-ce qu'un peu, ou si sa surface se courbe, le motif de ces bandes change. En analysant ces changements, les chercheurs peuvent mesurer les mouvements infimes de la position et de l'angle du miroir. Ils ont testé ce système en refroidissant un miroir en aluminium standard monté sur une structure en aluminium, de la température ambiante jusqu'à 20 Kelvin. L'installation était conçue pour détecter les déformations minuscules qui pourraient ruiner la capacité du télescope à annuler la lumière stellaire.

Les tests initiaux ont révélé que le système fonctionne, mais ont également mis en évidence les difficultés de travail dans un environnement aussi sensible. Lorsque le miroir a été refroidi, le système de mesure a suivi avec succès son mouvement, montrant que l'installation pouvait capturer le mouvement relatif entre le miroir et son support. Cependant, les données étaient bruitées et le processus de refroidissement était trop lent pour que la technique de mesure puisse suivre parfaitement. Les chercheurs ont observé que la position du miroir fluctuait violemment pendant le refroidissement avant de se stabiliser une fois la température la plus basse atteinte. Ces fluctuations étaient causées par un mélange de la modification physique de la forme du miroir due au froid et de perturbations externes telles que des vibrations ou des courants d'air dans le laboratoire. L'équipe a également noté que les miroirs utilisés pour le test n'étaient pas parfaitement lisses, ce qui rendait l'obtention d'une lecture claire plus difficile.

Malgré ces premiers obstacles, l'expérience a prouvé que l'« Ice Cube » peut fournir un environnement ultra-froid et stable pour les tests. Les chercheurs ont constaté que le blindage interne et la table optique atteignaient des températures proches de leurs cibles, bien qu'ils fussent légèrement plus chauds que prévu, probablement en raison de fuites de chaleur inattendues ou de limitations de la puissance de refroidissement. L'étude n'a pas encore confirmé une solution parfaite pour le montage des miroirs, car les tests initiaux ont montré que certains styles de montage pourraient introduire trop de mouvement. Au lieu de cela, ce travail sert de preuve de concept essentielle. Il démontre que l'équipe peut désormais faire passer rapidement les composants par les températures de gel requises pour la mission LIFE, permettant ainsi d'itérer rapidement sur les conceptions.

En regardant vers l'avenir, les chercheurs prévoient de perfectionner le système en améliant la qualité des miroirs de test et en accélérant la collecte de données pour capturer les changements en temps réel. Ils ont également l'intention de tester des assemblages plus complexes, tels que les combineurs de faisceaux qui apporteront finalement la lumière de plusieurs télescopes. En identifiant quels matériaux et quelles techniques de montage résistent le mieux au froid, l'équipe vise à finaliser la conception de l'instrument cryogénique à pleine échelle nécessaire pour la mission spatiale. Ce travail est une étape cruciale pour transformer le rêve de voir des mondes lointains semblables à la Terre en réalité, en garantissant que les instruments construits pour le voyage fonctionneront sans faille dans le gel profond de l'espace.