Les avancées de l'instrument MATISSE installé au VLT, au Chili

La première lumière de MATISSE

Alerte presse du 7 mars 2018
L'European Southern Observatory (ESO) vient d’annoncer la première lumière de l’instrument Matisse, installé au Chili sur le Very Large Telescope (VLT), l'observatoire astronomique le plus puissant du monde. Cette première lumière marque la mise en service de l’instrument après quinze années de développement, dont une dernière année de tests au laboratoire J.-L. Lagrange (Observatoire Côte d'Azur/CNRS/Université de Nice Sophia-Antipolis). Après ces quelques mois de validation des performances « sur le ciel », dans les conditions réelles, l'instrument va être mis désormais à disposition de la communauté astronomique internationale. En observant les disques protoplanétaires entourant les étoiles jeunes, il va permettre de mieux comprendre la formation de la Terre et de l'ensemble des planètes.

L’instrument MATISSE (Multi AperTure mid-Infrared SpectroScopic Experiment) est l'un des rares projets dont la France a la responsabilité auprès de l’ESO

Après 12 ans de conception et de développement en Europe, l’interféromètre MATISSE a été acheminé et installé fin 2017 à l’Observatoire du Very Large Telescope de l’ESO (European Southern Observatory), au Chili. Au cours des tests de février et mars 2018, ce nouvel instrument a pu observer avec succès sa « première umière » stellaire. Cette étape-clé, qui fait entrer l’instrument dans sa période de test sur le ciel, est le fruit du travail de douzaines de techniciens, ingénieurs et astronomes en France, en Allemagne et aux Pays-Bas.

Bruno Lopez, responsable scientifique du projet témoigne : « Cette première lumière consacre un moment important, vécu dans le monde scientifique comme la naissance d’un nouvel instrument d’observation. On peut être très fier et admiratif de l’énorme engagement de l’équipe internationale qui a réalisée l’ensemble des études ainsi que de tout le travail de développement qui s’en est suivi. Ce nouvel instrument va offrir des moissons de résultats et espérons-le de nombreuses découvertes. Ce sont des dizaines de thèses, conduites au sein de nombreux laboratoires et instituts de par le monde, qui vont maintenant pouvoir s’appuyer sur les observations de MATISSE ».

MATISSE est un instrument de seconde génération du VLTI – I pour mode Interférométrique du VLT - offrant une résolution spatiale équivalente à celle d'un télescope de 150 mètres de diamètre. MATISSE se base sur les techniques d’interférométrie. Celles-ci exploitent les propriétés de la nature ondulatoire de la lumière par le biais de la recombinaison optique de télescopes idépendants.

Les difficultés techniques du mode interférométrique et l’observation dans le domaine de l’infrarouge moyen n’ont permis le développement que de quelques rares interféromètres : le prototype SOIRDETE mis en place par Jean Gay et son équipe à la fin des années 80 sur le plateau de Calern en France, l’interféromètre ISI et l’interféromètre de Keck aux Etats-Unis, et l’instrument ESO-MIDI.

MATISSE dispose de capacités d’imagerie unique au monde en combinant la lumière de quatre des télescopes du VLTI dans deux fenêtres de l’infrarouge moyen : L&M (de 3 à 5 µm de longueur d’onde) et N (de 8 à 13 µm). La résolution angulaire des observations en bande L sera d’environ 3 milliarcsecondes (mas). MATISSE pourra donc accéder à des détails physiques d’une taille inférieure à l’Unité Astronomique pour des objets situés à des distances typiques de 100 parsec. 

MATISSE dispose également de capacités spectroscopiques, avec une résolution spectrale allant de R~ 30 à R~ 5000 ; la spectroscopie étant essentielle pour distinguer les atomes et les molécules caractéristiques des étoiles et des galaxies.

Ce nouvel instrument promet donc une moisson de résultats spectaculaires sur la compréhension des processus de formation des planètes, notamment celles de type terrestre, au sein des disques protoplanétaires. MATISSE observera également les régions d’accumulation de poussière autour des noyaux des galaxies actives supposés abriter des trous noirs, ou encore l’environnement et l’atmosphère des étoiles.

Les premières observations viennent de confirmer le bon fonctionnement de l’instrument. Elles se sont focalisées sur la supergéante rouge Bételgeuse, censée exploser en supernova dans quelques centaines de milliers d’années. Bien que très observée par les techniques d’interférométrie, Bételgeuse a été la première étoile observée et résolue par Michelson en 1920, elle recèle encore quelques mystères. Les nouvelles observations analysées immédiatement après les observations par Philippe Berio, du laboratoire J.-L. Lagrange, font apparaître les différentes dimensions de l’étoile à diverses longueurs d’onde.

Sur la base de ce type de données, les astronomes étudieront plus en détail l’environnement de gaz et de poussière entourant cette étoile. Des informations précieuses pourront être apportées sur le phénomène de perte de masse affectant cette étoile et la manière dont elle enrichit le milieu interstellaire.

Les capacités de l’instrument sont ainsi uniques au monde. Premièrement, cela ouvrira, pour l’interférométrie, les fenêtres de transmission infrarouges L et M. La résolution angulaire dans la bande L sera d’environ 3 milliarcsecondes (mas), équivalant au 0.3 AU pour une étoile à une distance de 100 parsec. Avec des résolutions spectrales différentes entre R~ 30 et R~ 5000 MATISSE peut distinguer les atomes et les molécules caractéristiques des étoiles et des galaxies. Deuxièmement, cet instrument est doté d’une imagerie haute fidélité unique pour l’ensemble des bande L, M et N, réalisée avec quatre Télescopes Unitaires (UT) ou quatre Télescopes Auxiliaires (ATs) du VLTI.

Cette première lumière de MATISSE est un aboutissement et un succès partagé par l’ensemble des laboratoires et instituts partenaires, leur ingénieurs et chercheurs, dont le travail a été coordonné par Pierre Antonelli, Chef de Projet, Stéphane Lagarde, Ingénieur Système et Sylvie Robbe-Dubois responsable de la conduite des tests en Europe et à Paranal. L’équipe niçoise de MATISSE se compose par ailleurs de Philippe Berio, Romain Petrov, Florentin Millour, Fatmé Allouche, Pierre Cruzalèbes, Alexis Matter, Anthony Meilland, Jean-Michel Clausse, Sébastien Morel, Yan-Fanteï, Sylvain Rousseau, Yves Bresson, Christophe Bailet, Florence Guitton, Anthony Soulain accompagnés par l’ensemble des personnels du Laboratoire J.-L. Lagrange et de l’Observatoire de la Côte d’Azur qui apportent par leur travail quotidien un soutien aux projets de recherche.

Pierre Antonelli souligne : « l’investissement de chacun et la créativité dans toutes les disciplines, astrophysique, ingénierie système, optique, mécanique, cryogénie, électronique, informatique de contrôle instrumental, logiciel scientifique de traitement de données et de reconstruction d’image, ont été les ingrédients essentiels pour permettre cette innovation instrumentale ». Sylvie Robbe-Dubois exprime qu’ « associé à GRAVITY, également en fonction au VLTI, MATISSE est un instrument complexe et exigeant : 3 tonnes, 20 mètres cubes de volume, plus de 10 000 éléments confectionnés, assemblés et alignés à mieux qu’un millionième de mètre »

Des tests sur "le ciel" conduits par l’équipe niçoise, plus approfondis, appelés "commissioning" et, visant la détermination des performances de l’instrument dans ses différents modes d’observation, continuerons en 2018. Les nombreuses sessions de commissioning sont organisées par Romain Petrov et Pierre Cruzalèbes. « Nous pouvons féliciter l’ensemble des membres du Consortium international incluant les personnels de l’ESO pour l’installation de l’instrument qui s’est déroulée ces derniers mois et qui nous permet d’envisager le Commissioning dans d’excellentes conditions. Les premiers tests ont été effectués sur la supergéante brillante Bételgeuse. Avec l’utilisation des UTs dès le mois de mars, ce sont les observations des astres plus faibles et les performances de l’instrument qui vont être définies au cours de 2018 » cite Romain Petrov. Les observations, ouvertes à l’ensemble de la communauté mondiale des astronomes, commenceront au printemps 2019.

A Paranal, Anthony Meilland, notre « envoyé-spécial » au Chili, car engagé sous-contrat pour plusieurs mois au sein de l’ESO afin d’accompagner sur place la mise en service de l’instrument, rappelle que : « sur le plan international, l’instrument MATISSE et le futur télescope de la NASA appelé le JWST, dont le lancement s’effectuera en 2019, sont complémentaires. MATISSE et l’Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array, appelé ALMA, le sont aussi au niveau de leur couverture spectrale. MATISSE est par ailleurs un précurseur du futur instrument METIS envisagé pour l’Extremely Large Telescope de l’ESO. »

Des tests sur « le ciel » plus approfondis, appelés "commissioning" et conduits par l’équipe niçoise, continueront tout au long de 2018. Ces tests visent la détermination des performances de l’instrument dans ses différents modes d’observation. Le Commissioning est coordonné par Romain Petrov et Pierre Cruzalèbes. Romain Petrov souligne d’ailleurs : « Nous pouvons féliciter l’ensemble des membres du Consortium international incluant les personnels de l’ESO pour l’installation de l’instrument qui s’est déroulée ces derniers mois et qui nous permet d’envisager le Commissioning dans d’excellentes conditions. Les premiers tests ont été effectués sur la supergéante brillante Bételgeuse. Avec l’utilisation des UTs dès le mois de Mars, ce sont les observations des astres plus faibles et les performances de l’instrument qui vont être définies au cours de 2018 ». Les observations régulières, ouvertes à l’ensemble de la communauté mondiale des astronomes, commenceront au printemps 2019.

MATISSE a été conçu, financé et construit en étroite collaboration avec l’ESO, par un consortium composé de laboratoires et d’instituts : français (Laboratoire J.-L. Lagrange – CNRS-INSU, et, Observatoire de la Côte d’Azur - Université de Nice Sophia-Antipolis, membres de l’Université Côte d’Azur) ; allemands (MPIA, MPlfR et l’Université de Kiel); hollandais (NOVA et l’Université de Leiden) et autrichiens (Université de Vienne). L’Observatoire Konkoly et l’Université de Cologne ont aussi apporté leur soutien à la fabrication de l’instrument. Des personnels du Laboratoire IPAG de l’OSUG de Grenoble et du CEA à Saclay contribuent à la préparation des programmes d’observation dits de "temps garanti".