On-sky demonstration of dual-field interferometry at the CHARA Array

Pour observer les détails les plus fins de l'univers, les astronomes doivent souvent relier des télescopes entre eux, créant ainsi un instrument virtuel aussi large que la distance qui les sépare. Cette technique, connue sous le nom d'interférométrie, permet aux scientifiques de résoudre des structures minuscules sur des étoiles lointaines qui, autrement, n'apparaîtraient que comme de simples points lumineux. Cependant, l'atmosphère terrestre est une couverture turbulente qui déforme constamment la lumière stellaire entrante, provoquant le flou et la disparition des délicats motifs d'interférence nécessaires à ces mesures en une fraction de seconde. Traditionnellement, cela signifiait que les astronomes ne pouvaient observer des étoiles brillantes que par de très courtes séquences, limitant leur capacité à étudier des objets plus faibles et plus insaisissables, comme des compagnons lointains ou des exoplanètes. Le défi a toujours été de savoir comment maintenir la « vision » du télescope assez stable pour collecter suffisamment de lumière de ces cibles sombres sans que le bruit atmosphérique n'efface le signal.

Une équipe de chercheurs de l'Array CHARA, un ensemble de six télescopes perchés sur le mont Wilson en Californie, a maintenant démontré avec succès une nouvelle façon de surmonter cette barrière. En utilisant une étoile brillante à proximité comme guide en temps réel, ils ont montré qu'il est possible de suivre les distorsions atmosphériques d'une étoile tout en observant simultanément, de manière longue et stable, une étoile compagne beaucoup plus faible. Cette approche à « double champ » permet de découpler efficacement le besoin d'une cible brillante du besoin d'une observation longue, ouvrant la voie à l'étude de systèmes qui étaient auparavant trop sombres pour être observés avec une telle précision.

L'équipe a mis cette nouvelle capacité à l'épreuve au cours de l'été 2025 en utilisant un système triple, connu sous le nom d'alpha Piscium. Ce système est une disposition hiérarchique, ce qui signifie qu'il contient une paire d'étoiles large, dont l'une est elle-même une paire binaire serrée. Les chercheurs ont utilisé deux instruments différents connectés aux mêmes six télescopes. Un premier instrument, MIRC-X, s'est verrouillé sur l'étoile primaire plus brillante pour servir de référence, mesurant les oscillations atmosphériques des milliers de fois par seconde. Ces mesures ont été utilisées pour corriger le trajet de la lumière en temps réel. Pendant ce temps, un second instrument, MYSTIC, utilisait ces mêmes corrections pour observer l'étoile compagne plus faible dans le spectre infrarouge. Parce que l'étoile de référence maintenait la stabilité du système, le second instrument pouvait intégrer la lumière de la faible compagne pendant bien plus longtemps que d'habitude, permettant de résoudre des détails qui seraient autrement perdus.

Les résultats de ce premier test ont été immédiats et précis. L'équipe a réussi à résoudre la paire binaire interne de l'étoile compagne, séparant deux étoiles qui ne sont qu'à sept millièmes de seconde d'arc l'une de l'autre. Pour donner une idée de cette distance, c'est environ la taille d'une pièce de monnaie vue depuis des centaines de kilomètres. De plus, en comparant les positions des deux étoiles principales du système, l'équipe a mesuré leur séparation avec une incertitude de seulement 234 microarcsecondes. Ce niveau de précision confirme que toute la chaîne d'opérations — de la capture de la lumière de deux étoiles à la fois à la stabilisation des franges et à l'enregistrement des données — fonctionne comme prévu.

Bien que le succès initial ait utilisé deux étoiles de luminosité comparable, le véritable objectif de cette technologie est d'observer des objets nettement plus sombres que leurs étoiles de référence. Les chercheurs travaillent désormais à repousser les limites de cette sensibilité. Ils ont développé un logiciel capable de suivre la phase de la lumière dans différentes couleurs de la lumière infrarouge, garantissant que le système reste stable même lorsque l'atmosphère change. Les premiers tests montrent que le système peut maintenir un verrouillage stable avec de très faibles erreurs, une étape cruciale pour l'observation de cibles peu lumineuses. Cependant, la configuration actuelle est encore limitée par la luminosité des étoiles qu'elle peut acquérir et par le bruit thermique généré par les instruments eux-mêmes lors des longues expositions.

Pour atteindre des cibles encore plus faibles, l'équipe prévoit plusieurs mises à niveau matérielles. Ils ont l'intention de remplacer la caméra utilisée pour trouver et suivre les étoiles par un modèle plus sensible capable de détecter des objets beaucoup plus sombres, étendant potentiellement la portée des étoiles observables de la limite actuelle vers des magnitudes beaucoup plus faibles. Ils prévoient également de refroidir les détecteurs et de supprimer les fenêtres chaudes de l'instrument afin de réduire la chaleur de fond qui noie actuellement les signaux faibles. De plus, ils visent à améliorer les systèmes d'optique adaptative sur les télescopes, qui corrigent le flou atmosphérique, afin de s'assurer qu'une plus grande quantité de lumière de la faible compagne pénètre dans l'instrument.

Des simulations informatiques suggèrent qu'avec ces mises à niveau, le système pourrait éventuellement observer des étoiles aussi faibles que la magnitude 13 dans la bande K, un bond significatif par rapport à la limite actuelle d'environ magnitude 8 ou 9. Cela permettrait aux astronomes de rechercher de faibles compagnons, tels que des naines brunes ou des exoplanètes, orbitant autour d'étoiles trop sombres pour être étudiées avec les méthodes actuelles. L'équipe a déjà commencé à recueillir des données pour tester ces limites de sensibilité, et bien que l'analyse complète soit en cours, la voie à suivre est claire. En transformant une étoile brillante en un phare qui guide la vue d'une voisine plus faible, l'Array CHARA transforme notre façon de voir les composants cachés et sombres de notre voisinage cosmique.