L’instrument ELT - MICADO

Le module SCAO de MICADO

Les principales spécifications qui guident la conception du module d’optique adaptative de type SCAO de MICADO sont les suivantes :

• réaliser l’analyse de front d’onde dans le visible, entre 0,589 μm et 0,96 μm, sur des sources de magnitude allant de 7 à 16 en bande V (avec comme but de V=-1.46 à V=17) ;

• atteindre une performance sur axe de 60% de rapport de Strehl à 2,2 μm dans des conditions atmosphériques médianes à 30° du zénith ;

• permettre l’observation d’objets non sidéraux avec une vitesse différentielle entre un tel objet et la source de référence pouvant aller jusqu’à 100 arcsec/h (but : 200 arcsec/h) ;

• être capable de fermer la boucle d’optique adaptative sur des objets de diamètre jusqu’à 1 arcsec.

L’opto-mécanique du module SCAO de MICADO est située dans un sous-ensemble nommé "Green Doughnut" ou "NGS module", placé juste au-dessus du cryostat de MICADO auquel il est fixé. Il tourne donc solidairement avec lui. Le module SCAO occupe la partie supérieure du Green Doughnut, avec une enveloppe allouée d’environ 2,8 m de diamètre sur une hauteur de 350 mm et une masse allouée de 700 kg. La partie inférieure du Green Doughnut est occupée par les trois analyseurs doubles sur étoile naturelle de MORFEO.

Le module SCAO se compose des sous-systèmes opto-mécaniques suivants :

• l’analyseur de surface d’onde, basé sur un analyseur de type pyramide et lui-même décomposé en plusieurs sous-ensembles qui permettent d’assurer son bon fonctionnement : un sélecteur de champ, un correcteur d’aberrations non communes, un système de modulation, un compensateur de rotation de pupille, etc.

• l’unité de calibration de la SCAO, avec une configuration pour la phase d’intégration et de tests permettant de valider les performances de la SCAO et une configuration déployée, au final, sur l’instrument permettant de réaliser les étalonnages indispensables à la SCAO ;

• la lame dichroïque SCAO partageant le flux reçu du télescope entre la voie d’analyse et la voie scientifique ;

• la structure Green Doughnut rassemblant les composants mécaniques supportant ces trois précédents sous-systèmes.

La conception de la SCAO de MICADO comprend aussi :

• l’ensemble du logiciel de contrôle commande pilotant les éléments de la SCAO, basé sur l’architecture développée par l’ESO et mis en oeuvre au sein de la structure nationale EFISOFT pour les contributions françaises aux instruments ELT ;

• le calculateur temps-réel permettant de calculer les commandes envoyées aux miroirs correcteurs situés dans le télescope. Celui-ci sera basé sur la plateforme COSMIC, développée au LESIA en collaboration avec l’Australian National University et s’appuyant sur des accélérateurs matériels (carte GPU) et le calcul haute performance ;

• l’électronique de contrôle.

Enfin, outre les études de conception proprement-dites de la SCAO, son développement inclut :

• de la R&D en optique adaptative liée aux problématiques ELT ou à l’analyse de front d’onde pyramide (ex : analyse de front d’onde et commande en optique adaptative pour la pupille fragmentée de l’ELT, gestion de la prise au vent et des vibrations pour la commande de la SCAO de MICADO) ;

• de nombreux prototypages : pilotage de module Beckhoff, analyse de front d’onde pyramide, miroir en toit, sélecteur de champ ;

• des simulations numériques de performances de la SCAO.

Le mode haut contraste de MICADO

Les principales spécifications guidant la conception du mode haut contraste de MICADO sont les suivantes :

• après un post-traitement approprié, les coronographes doivent atteindre les contrastes suivants : 1/10000 à une séparation de 100 mas, 1/100000 à une séparation de 500 mas ;

• les coronographes en plan focal doivent avoir une atténuation du pic central en bande K plus grande que 30.

Trois modes d’observation à haut contraste sont prévus :

• coronographe en plan focal : trois masques focaux sont prévus pour optimiser la détection des planètes et l’observation de disques à différentes distances de l’étoile et pour différentes conditions d’observation (cibles faibles, effets de dispersion atmosphérique, longueurs d’onde). Ces masques seront associés à un diaphragme de Lyot (deux autres diaphragmes combinés à une densité neutre seront utilisés pour étalonner la mesure photométrique du signal de la planète ou du disque) ;

• masque pupillaire d’apodisation de phase qui permet la détection des planètes à faible distance de l’étoile. Un composant vAPP, conçu par l’Université de Leiden, sera intégré à MICADO. Ce mode est moins sensible à l’erreur résiduelle de tip-tilt du système d’optique adaptative et est complémentaire des coronographes en plan focal ;

• imagerie d’ouverture non redondante : il est prévu deux masques d’amplitude en plan pupille parsemés de trous. Ils utilisent la technique de masquage non redondant pour permettre une détection à la limite de diffraction voire en dessous. Ces masques auront un nombre et une configuration de trous différents, permettant ainsi d’adapter le masque suivant la cible et le type d’objet observé (cible faible, recherche de compagnon ou détection de disque, bande spectrale).

Outre la conception des masques proprement-dite, le développement du mode haut contraste de MICADO comprend aussi :

• des simulations numériques de performances de chacun des modes d’observations haut contraste, en incluant de nombreux effets tels que les résidus de turbulence après l’optique adaptative en fonction des conditions atmosphériques, les aberrations statiques, la largeur spectrale des filtres, l’angle zénithal, les segments manquants du télescope, la magnitude de l’étoile (déterminant le bruit de photon), bruit de détecteur, émission thermique du télescope et du fond de ciel etc.

• le développement d’un algorithme d’estimation des erreurs de centrage de l’étoile centrale pour les coronographes de Lyot (STARLOC).