SPHERE, vingt ans de défis et de réussites
Le consortium SPHERE célèbre sa 100e publication scientifique, dont l’étude démographique des exoplanètes situées au-delà de l’orbite de Saturne.
L’imageur d’exoplanètes SPHERE (Spectro-Polarimetric High-Contraste Exo-planet REsearch) (1), actuellement installé et en fonctionnement au Very Large Telescope de l’ESO au Chili, est dédié à la détection et la caractérisation des exoplanètes géantes et des disques circumstellaires autour d’étoiles proches du Soleil. Ce projet représente une aventure scientifique, technologique et humaine débutée il y a déjà une vingtaine d’années. Son succès s’est construit sur des contraintes instrumentales strictes et des développements techniques innovants, comme l’optique adaptative extrême, la coronographie, la polarimétrie de haute précision et la spectroscopie intégrale de champ. Les différents sous-systèmes de SPHERE ont été conçus, construits et intégrés par un consortium de douze grands instituts européens (2) sur plus d’une décennie lui permettant d’atteindre des performances inégalées sur le ciel. La figure 1 montre les principaux éléments de cette phase de conception et de construction.
En haut à gauche: SPHERE sur la plateforme Nasmyth du Very Large Telescope. En haut à droite: sous-systèmes SPHERE: SAXO, le système d’optique adaptative extrême, ZIMPOL, le polarimètre d’imagerie de Zurich, IFS, le spectrographe de champ intégral, et IRDIS, l’imageur et le spectrographe dans le proche infrarouge. En bas: Photos de la première lumière de SPHERE au printemps 2014 et implémentation supplémentaire: camion et SPHERE se dirigeant vers UT3, premier Light dans la salle de contrôle, installation du troisième miroir torique et fixation de l’enceinte SPHERE.
Après sa première lumière en mai 2014, SPHERE a été offert à la communauté européenne, et a rapidement obtenu des résultats scientifiques exceptionnels dans le domaine de la formation planétaire, de la démographie et des propriétés physiques des exoplanètes, mais aussi sur la caractérisation des corps mineurs du système solaire, l’environnement des étoiles évoluées, et même l’étude des noyaux galactiques actifs (3). Le consortium SPHERE a joué un rôle majeur dans ce succès et célèbre aujourd’hui la parution d’une série de trois articles dans la revue Astronomy & Astrophysics présentant la première phase de l’étude démographique des exoplanètes au-delà de 10 au c’est-à-dire au delà de l’orbite de Saturne (4), dont sa 100e publication scientifique (5). Ces travaux représentent une étape importante pour le consortium SPHERE rendue possible par l’investissement de tous les membres et instituts qui ont contribué avec succès à ce projet, de la phase de conception, de construction, jusqu’à celle d’exploitation scientifique au cours des cinq dernières années. Le projet SPHERE a permis de former une nouvelle génération de jeunes ingénieurs et scientifiques et positionne nos équipes européennes à la pointe de ce domaine majeur de l’astrophysique. Grâce à l’ensemble des travaux menés par le consortium SPHERE, la communauté associée se trouvera à l’avant-garde des développements d’imagerie à haut contraste pour préparer l’exploitation de futurs projets au sol sur la classe des grands télescopes de 10 à 40 m.
Quelques images spectaculaires de SPHERE
Cette image montre le disque autour de la jeune étoile AB Aurigae, où le Very Large Telescope (VLT) de l’ESO a repéré des signes de naissance de planète. Près du centre de l’image, dans la région interne du disque, nous voyons la “torsion” (en jaune très vif) qui, selon les scientifiques, marque l’endroit où une planète est en train de se former. Cette torsion se trouve à peu près à la même distance de l’étoile AB Aurigae que Neptune du Soleil. L’image a été obtenue avec l’instrument SPHERE du VLT en lumière polarisée. Credit: ESO/Boccaletti et al.
Cette image spectaculaire prise par l’instrument SPHERE sur le Very Large Telescope de l’ESO est la première image visible d’une planète prise en flagrant délit de formation autour de l’étoile naine PDS 70. La planète se détache clairement, visible comme un point lumineux à droite du centre de l’image, qui est noirci par le masque du coronographe utilisé pour bloquer la lumière aveuglante de l’étoile centrale. Credit: ESO/A. Müller et al.
Voice la première image prise avec une extrêmement haute résolution angulaire par SPHERE de l’astéroïde Pallas. L’astronome allemand Heinrich Wilhelm Matthäus Olbers a découvert Pallas le 28 mars 1802. Nommé en l’honneur de la déesse grecque Pallas Athéna, l’astéroïde – ainsi que de nombreux autres astéroïdes découverts au XIXe siècle – a été initialement classé comme une planète. Au fil du temps et des progrès technologiques, Pallas a été reclassé en tant qu’astéroïde. Aujourd’hui, il est connu pour être le troisième plus grand astéroïde du système solaire, avec un diamètre moyen de 512 km. Bien que Pallas soit le plus grand astéroïde connu du système solaire après Cérès et Vesta, il est le seul de ces grands astéroïdes à ne pas avoir été visité par un vaisseau spatial. Cela est dû à son orbite, qui présente une inclinaison inhabituellement élevée par rapport au plan de l’orbite terrestre, ce qui signifie qu’il est particulièrement difficile d’y faire atterrir un engin spatial. Ces nouvelles images montrent que la surface de Pallas présente des caractéristiques topographiques très intéressantes suggérant une histoire de collisions violentes. De nombreux grands cratères sont présents dans les deux hémisphères de Pallas, formant une surface ressemblant à une balle de golf. Les deux grands bassins d’impact distincts sur sa surface pourraient également être liés à un impact de formation de famille – une collision qui a provoqué la fracture d’un objet original en plusieurs corps séparés. Le point brillant qui apparaît dans l’hémisphère sud de Pallas (image de droite) rappelle également les dépôts de sel sur Cérès. Credit: ESO.
Cette image spectaculaire prise par SPHERE montre le disque de poussières autour de la jeune étoile IM Lupi avec plus de détails que jamais auparavant. Credit: ESO/H. Avenhaus et al./DARTT-S collaboration
Cette photo montre l’instrument SPHERE destiné au VLT juste avant qu’il ne quitte la France pour être expédié au Chili en février 2014. SPHERE utilise de nombreuses techniques hautement sophistiquées pour permettre de détecter la lumière très faible d’une exoplanète, malgré l’éblouissement écrasant de son étoile mère. Credit: SPHERE Project/ESO/J.-L. Beuzit and J.-F. Sauvage
Au sein de PlanetS, le département d’astronomie de l’Université de Genève et l’Institut dephysique des particules et d’astrophysique de l’ETH Zurich sont membres du consortium SPHERE. Les deux instituts ont reçu un financement substantiel de la subvention SNF/FLARE (précédemment appelée FINES) pour leur participation à ce grand projet international.
Le dpt d’astronomie de l’Unige a été responsable de la conception et de la réalisation de l’unité de calibrage SPHERE, un sous-système qui fournit différentes lumières de calibrage aux trois instruments scientifiques et au système d’optique adaptative (AO) de la voie commune. Elle a également participé à l’ingénierie des systèmes de l’ensemble de l’instrument en assumant la responsabilité de toutes les interfaces internes et externes. Genève a également développé le simulateur de télescope pour les tests et a contribué au développement des outils de planification de l’observation (principales personnes impliquées : F. Wildi, R. Dubosson, M. Crausaz, B. Michaud, L. Weber). Sur le plan scientifique, Genève a participé principalement à l’enquête SHINE et, dans une certaine mesure, à l’enquête DISK (D. Segransan, S. Udry, J. Hagelberg, S. Peretti, E. Rickmann).
L’ETH Zurich a été fortement impliquée dans le concept, la conception, le développement et les tests du Polarimètre imageur de Zurich (ZIMPOL) et dans le concept polarimétrique de l’instrument SPHERE common path (principales personnes impliquées : H.M. Schmid (Co-I), D. Gisler, A. Bazzon, F. Joos, P. Steiner). Sur le plan scientifique, l’ETH a principalement participé aux programmes GTO DISK et REFPLANETS (C. Thalmann, E. Buenzli, A. Garufi, H. Avenhaus, N. Engler, S. Hunziker et C. Tschudi), ainsi qu’à l’enquête SHINE (M. Meyer, S. Quanz).
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