NAIR-APREXIS: Enabling photonics-based instruments for long-baseline interferometry and integral-field spectroscopy

Les astronomes cherchent depuis longtemps à voir l'univers avec des yeux plus perçants, repoussant les limites de ce que leurs télescopes peuvent résoudre. Pour ce faire, ils combinent souvent la lumière de plusieurs télescopes, une technique appelée interférométrie, qui agit comme un seul miroir géant. Cependant, la méthode traditionnelle repose sur des lentilles et des miroirs de verre volumineux, lourds, difficiles à aligner parfaitement et sujets à des pertes de lumière en cours de route. Ces dernières années, une nouvelle approche est apparue qui traite la lumière non pas comme un faisceau rebondissant sur de grandes surfaces, mais comme un signal voyageant à travers de minuscules canaux microscopiques gravés directement dans le verre. Ce domaine, connu sous le nom d'astrophotique, promet de réduire des instruments complexes à la taille d'une puce, offrant une plus grande stabilité et une plus grande précision. Le défi consiste à prouver que ces structures délicates et microscopiques peuvent survivre aux conditions difficiles d'un véritable observatoire et être aussi performantes que leurs contreparties massives et traditionnelles.

Une équipe de chercheurs travaillant sur le projet NAIR-APREXIS a maintenant fourni des preuves convaincantes que cette approche microscopique est prête pour le grand bain. Ils ont réussi à construire et à tester plusieurs nouveaux types d'instruments en utilisant une technique appelée inscription par laser ultrafast, où un laser puissant écrit de minuscules chemins de guidage de la lumière directement à l'intérieur de blocs de verre. Leurs travaux démontrent que ces puces de verre peuvent non seulement combiner la lumière d'étoiles lointaines avec une précision extrême, mais aussi réorganiser la lumière d'un télescope pour créer des cartes détaillées de planètes et d'étoiles. L'équipe a déjà testé ses dispositifs sur de véritables télescopes en Californie, et elle prépare le test d'un nouveau système au Chili en 2027. Ces tests montrent que ces outils minuscules peuvent capturer la faible lumière stellaire avec une grande efficacité et rester stables sur de longues périodes, ouvrant la voie à une nouvelle génération d'instruments astronomiques compacts et de haute performance.

Le premier succès majeur du projet a impliqué un dispositif conçu pour combiner la lumière de deux télescopes afin de mesurer la luminosité et la forme des étoiles. Les chercheurs ont construit cet instrument en utilisant un type spécial de verre appelé Infrasil, qui est transparent à la lumière infrarouge utilisée pour étudier les objets froids de l'espace. Ils ont utilisé leur technique laser pour graver un réseau de canaux microscopiques à l'intérieur du verre qui séparent et recombinent la lumière stellaire. Lorsqu'ils ont testé ce dispositif au CHARA Array, un ensemble de six télescopes en Californie, les résultats ont été impressionnants. L'instrument s'est avéré remarquablement stable, maintenant ses performances pendant des heures d'observation. Il a été capable de mesurer les figures d'interférence des étoiles avec une précision de un pour cent, un niveau de précision requis pour une découverte scientifique sérieuse. Plus important encore, le dispositif était efficace, permettant à plus de quarante pour cent de la lumière stellaire de passer au détecteur, et il pouvait détecter des étoiles aussi faibles que la magnitude cinq sans nécessiter d'équipement supplémentaire pour stabiliser la lumière. Ce succès a montré qu'un petit bloc de verre solide pouvait remplacer des systèmes optiques complexes et volumineux tout en offrant une stabilité supérieure.

Au-delà de la simple combinaison de la lumière, l'équipe développe également des outils pour transformer l'image floue d'une étoile ou d'une planète en une carte détaillée de lumière et de couleur, une capacité connue sous le nom de spectroscopie à champ intégral. Pour y parvenir, ils créent un nouveau type de câble à fibre optique qui contient plus de cent cœurs minuscules, chacun agissant comme un pixel séparé pour capturer la lumière provenant de différentes parties du ciel. Un obstacle majeur dans de tels designs est d'empêcher la lumière d'un cœur de fuir vers son voisin, ce qui flouterait l'image. En utilisant une conception hétérogène où les cœurs sont de tailles légèrement différentes, les chercheurs ont réussi à supprimer cette fuite à un niveau où moins d'une partie sur mille de la lumière traverse. Ils construisent actuellement un système complet qui comprend un dispositif écrit par laser pour réorganiser ces cœurs en une ligne, alimentant un spectrographe. Ce système doit être testé sur un télescope au Chili en 2027, avec pour objectif d'aider les astronomes à détecter et à étudier les planètes orbitant autour d'autres étoiles.

Le projet a également exploré comment rendre les instruments eux-mêmes encore plus petits et intégrés. Les chercheurs ont imprimé de minuscules composants optiques tridimensionnels directement sur les extrémités de câbles à fibres optiques en utilisant un processus appelé polymérisation à deux photons. Ces composants agissent comme des spectrographes miniatures, divisant la lumière en ses couleurs pour analyser la composition chimique des objets célestes. Chaque dispositif mesure moins d'un millimètre, pourtant il parvient à étendre, collimater et disperser la lumière, le tout au sein d'une seule pièce de matériau solide. Lors de tests en laboratoire, ces minuscules spectrographes ont atteint une puissance de résolution d'environ trente, ce qui signifie qu'ils pouvaient distinguer des couleurs très proches, et ils ont transmis plus de quatre-vingts pour cent de la lumière. Ce niveau d'intégration suggère que les futurs instruments pourraient être incroyablement légers et ne nécessiter aucun alignement, car les parties optiques sont fusionnées de façon permanente.

Un autre développement innovant concerne la création de minuscules capteurs en forme de pyramide utilisés pour mesurer la qualité de la vue du télescope. Traditionnellement, ces pyramides sont faites de verre et nécessitent un polissage coûteux et difficile pour obtenir des bords parfaitement tranchants. L'équipe a utilisé l'impression optique 3D pour créer ces pyramides, qui ne font que quelques millimètres de large. Leurs mesures ont montré que ces pyramides imprimées possèdent une lissé de surface et une netteté de bord qui égalent ou dépassent même la qualité des pyramides de verre fabriquées traditionnellement. Comme elles sont si petites, elles introduisent également une forme unique de filtrage qui pourrait améliorer la façon dont les astronomes mesurent la turbulence atmosphérique. Des tests initiaux sur un banc d'essai d'optique adaptative ont confirmé que ces capteurs imprimés fonctionnent comme prévu, ouvrant la voie à des capteurs de front d'onde moins chers et plus polyvalents pour les futurs télescopes.

Peut-être la validation la plus significative de cette technologie provient d'une étude à long terme d'un capteur installé au Large Binocular Telescope. Ce capteur, qui utilise un anneau de minuscules lentilles imprimées pour aider à focaliser la lumière dans une fibre, a fonctionné dans le monde réel pendant six ans. Durant cette période, il a été exposé aux variations de température, à l'humidité, aux vibrations et au mouvement constant du télescope. Malgré ces conditions difficiles, le capteur a continué à fonctionner parfaitement, ne montrant aucun signe de dégradation ou de dérive de ses performances. Ce record de six ans prouve que ces composants optiques imprimés en 3D sont assez robustes pour survivre à l'environnement exigeant d'un observatoire sur le long terme. Cela confirme que la technologie n'est pas seulement une curiosité de laboratoire, mais une solution viable pour l'avenir de l'instrumentation astronomique, offrant une voie vers des instruments plus petits, plus stables et capables de révéler l'univers avec une clarté sans précédent.