La plus grande caméra numérique jamais construite apportera un nouvel éclairage sur l’u​ni​vers

Après plus de 20 ans de tra­vail, la camé­ra LSST (Lega­cy Sur­vey of Space and Time) est main­te­nant ter­mi­née. Elle est prête à être ins­tal­lée sur son téles­cope, à 2 700 mètres d’al​ti​tude au som­met du Cer­ro Pachón dans les Andes chi­liennes, l’un des meilleurs sites astro­no­miques au monde qui abrite déjà de nom­breux ins­tru­ments tels que le VLT¹ ou ALMA².

La camé­ra de 3 200 méga­pixels pour­ra balayer l’en​semble de la voûte céleste en seule­ment trois jours, en pre­nant 800 cli­chés par nuit, cha­cun cou­vrant une sur­face équi­va­lente à 40 fois celle de La Lune. Elle pour­ra ain­si obser­ver l’u­ni­vers dans des détails sans pré­cé­dent. Mais pas seule­ment : elle contri­bue­ra éga­le­ment à faire pro­gres­ser notre com­pré­hen­sion de l’éner­gie noire – res­pon­sable de l’ex­pan­sion accé­lé­rée de l’u­ni­vers. Pour ce faire, elle recher­che­ra des signes de ce que l’on appelle « l’ef­fet de len­tille gra­vi­ta­tion­nelle faible », dans lequel les amas de galaxies très mas­sifs courbent sub­ti­le­ment les tra­jec­toires de la lumière pro­ve­nant des galaxies d’ar­rière-plan avant qu’elle ne nous par­vienne. Ce pro­ces­sus révèle des infor­ma­tions impor­tantes sur la dis­tri­bu­tion de la masse dans l’u​ni​vers au fil du temps.

La camé­ra recher­che­ra aus­si la matière noire, cette sub­stance mys­té­rieuse dont on estime qu’elle consti­tue 85 % de toute la matière de l’u­ni­vers, en obser­vant cette fois les sché­mas de dis­tri­bu­tion des galaxies et leur évo­lu­tion dans le temps.

La camé­ra a été déve­lop­pée et construite par des cher­cheurs et des ingé­nieurs du SLAC Natio­nal Acce­le­ra­tor Labo­ra­to­ry aux États-Unis. Les labo­ra­toires par­te­naires ayant contri­bué au pro­jet sont : le Broo­kha­ven Natio­nal Labo­ra­to­ry aux États-Unis, qui a construit le réseau de cap­teurs numé­riques de la camé­ra ; le Law­rence Liver­more Natio­nal Labo­ra­to­ry, éga­le­ment aux États-Unis, en charge des objec­tifs de la camé­ra ; et l’Ins­ti­tut natio­nal de phy­sique nucléaire et de phy­sique des par­ti­cules du Centre natio­nal de la recherche scien­ti­fique (IN2P3/CNRS), un orga­nisme fran­çais qui a par­ti­ci­pé à la concep­tion des cap­teurs et de l’élec­tro­nique, et qui a construit le sys­tème de chan­geur de filtres de la camé­ra. Ce sys­tème per­met­tra à la camé­ra de réa­li­ser des images sur six bandes de lumière dis­tinctes, de l’ul­tra­vio­let à l’infrarouge.

« La camé­ra fait à peu près la taille d’une voi­ture », explique Johan Bre­geon du Labo­ra­toire de phy­sique sub­ato­mique et de cos­mo­lo­gie (LPSC)³ de l’IN2P3/CNRS, qui tra­vaille sur le pro­jet depuis 2019. Elle pèse envi­ron 3 000 kg et pos­sède trois len­tilles. La len­tille fron­tale mesure près de 160 cm, ce qui est consi­dé­ré comme la plus grande len­tille optique haute per­for­mance jamais fabriquée.

« Le camé­ra LSST est véri­ta­ble­ment révo­lu­tion­naire et ne se conten­te­ra pas de prendre de jolies pho­tos. C’est un ins­tru­ment capable de détec­ter la lumière et de la trai­ter de la manière la plus fidèle pos­sible. »

Le sys­tème de trois len­tilles per­met de cor­ri­ger le champ de vision afin d’ob­ser­ver une plus grande par­tie du ciel sans agran­dir davan­tage la camé­ra. Au plan focal de ces len­tilles se trouvent les détec­teurs CCD, les com­po­sants qui col­lectent la lumière. Un autre élé­ment impor­tant de l’ins­tru­ment est le chan­geur de filtres.

« Pour faire de l’as­tro­no­mie, et en par­ti­cu­lier de la cos­mo­lo­gie, il faut obser­ver le ciel dans plu­sieurs bandes optiques (ou lon­gueurs d’onde) jus­qu’à la par­tie proche de l’in­fra­rouge du spectre élec­tro­ma­gné­tique. Pour ce faire, nous uti­li­sons des filtres, c’est-à-dire des mor­ceaux de verre qui laissent pas­ser une cer­taine bande de fré­quences. »

L’IN2P3/CNRS a contri­bué au sys­tème de chan­geur de filtres, com­po­sé d’un car­rou­sel conte­nant six filtres et un sys­tème méca­nique com­plexe per­met­tant de les chan­ger en moins de deux minutes. « Les filtres sont des disques de 75 cm de dia­mètre. Le plus léger pèse 25 kg et le plus lourd 38 kg et nous devons pou­voir les posi­tion­ner avec une pré­ci­sion de quelques cen­taines de microns. Ce qu’il faut aus­si com­prendre, c’est qu’un filtre sera chan­gé très régu­liè­re­ment pen­dant les obser­va­tions, à savoir plu­sieurs fois par nuit. Ain­si, au cours des 10 années de fonc­tion­ne­ment pré­vues pour le téles­cope, le chan­geur de filtres devra typi­que­ment fonc­tion­ner sur une cen­taine de mil­liers de cycles. D’un point de vue méca­nique, c’é​tait dif­fi­cile à mettre en œuvre, car il fal­lait prendre en compte des pro­blèmes d’u­sure. »

Le sys­tème de char­ge­ment des filtres est asso­cié à ces filtres. « Ce sys­tème nous per­met de prendre un filtre d’une boîte et de l’in­sé­rer dans le car­rou­sel de la chambre de fil­tra­tion après avoir enle­vé le filtre exis­tant. Ce char­geur a été essen­tiel­le­ment conçu, tes­té, construit et vali­dé par les équipes du LPSC, où je tra­vaille. »

Le défi n’é­tait pas seule­ment de construire la plus grande camé­ra numé­rique au monde pour l’as­tro­no­mie, mais aus­si de pou­voir lire rapi­de­ment les don­nées des détec­teurs CCD. Actuel­le­ment, pour les camé­ras exis­tantes, qui fonc­tionnent plus ou moins de la même manière, la lec­ture de quelques cen­taines de mil­lions de pixels prend envi­ron 30 secondes. « Pour le LSST, nous vou­lions pou­voir effec­tuer plus de 1500 expo­si­tions par nuit, donc 30 secondes, c’é­tait trop long. » En consé­quence, l’élec­tro­nique de lec­ture a fait l’ob­jet d’un impor­tant tra­vail d’op­ti­mi­sa­tion et de concep­tion, afin de garan­tir son effi­ca­ci­té et sa capa­ci­té à lire les 3 mil­liards de pixels en envi­ron deux secondes seulement.

« Outre l’a­mé­lio­ra­tion de l’élec­tro­nique de lec­ture, nous avons éga­le­ment dû apprendre beau­coup de choses sur le fonc­tion­ne­ment des détec­teurs CCD, afin de nous assu­rer qu’une fois les don­nées brutes émises par la camé­ra, les images pro­duites soient aus­si fidèles que pos­sible à la por­tion du ciel que nous obser­vons. »

Plu­sieurs labo­ra­toires tra­vaillent sur l’é­ta­lon­nage et la réduc­tion des images brutes afin d’ob­te­nir les meilleures images pos­sibles. Cette par­tie de la camé­ra est encore en phase de mise en ser­vice. « Je suis actuel­le­ment en train d’a­na­ly­ser une par­tie des don­nées de test que nous avons prises l’an­née der­nière lorsque la camé­ra était au SLAC pour ses tests de fonc­tion­ne­ment. Nous avons obte­nu des don­nées qui me per­met­tront de véri­fier l’a​li​gne​ment des len­tilles avec le plan focal de la camé­ra. » Les pre­mières images sont atten­dues au prin­temps 2025.

Propos recueillis par Isabelle Dumé

Réfé­rences :

Aaron J. Rood­man at al. Inte­gra­tion and veri­fi­ca­tion tes­ting of the LSST came­ra. SPIE Astro­no­mi­cal Teles­copes + Ins­tru­men­ta­tion 2018, Jun 2018, Aus­tin, Uni­ted States. pp.107050D, 10.1117/12.2314017. https://​hal​.science/hal-01880806

Pierre Anti­lo­gus et al. Desi­gn, assem­bly and vali­da­tion of the Fil­ter Exchange Sys­tem of LSST­Cam. In SPIE Astro­no­mi­cal Teles­copes + Ins­tru­men­ta­tion 2022, volume 12182, page 121823A, Mont­réal, Cana­da, July 2022. doi : 10.1117/12.2629336. https://​hal​.science/hal-03838583