La plus grande caméra numérique jamais construite apportera un nouvel éclairage sur l’univers

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’altitude 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’ensemble 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’univers 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’était 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’alignement 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​.sci​ence/​h​a​l​-​0​1​8​80806

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​.sci​ence/​h​a​l​-​0​3​8​38583