La transparence atmosphérique du ciel antarctique propice aux observations astronomiques
Dans le cadre de l’évaluation du potentiel astronomique de la station Concordia en Antarctique, une campagne d’étude sur la qualité du site vient de livrer des résultats prometteurs. Ils indiquent en effet que l’atmosphère au dessus de la station est, dans la gamme infrarouge lointain/sub-millimétrique, l’une des plus transparente sur Terre. Publiés dans la revue Astronomie & Astrophysics, les travaux menés durant les cinq dernières années par une équipe de chercheurs du Service d’Astrophysique et du SIS du CEA-Irfu justifient la poursuite de l’étude du potentiel astronomique du continent blanc comme des dispositifs indispensables pour parer à ses conditions extrêmes. La prochaine étape est l’installation de la caméra Camistic au foyer du télescope de 80 cm IRAIT, télescope austral qui a capté sa première lumière en janvier 2011.
Sous un ciel antarctique limpide, le cliché montre de gauche à droite le télescope Cochise, le laboratoire d’astronomie et les télescopes IRAIT et StarPhotometer (crédit CEA).
Transparence de l’atmosphère et vapeur d’eau au-dessus de Concordia
La présence de vapeur d’eau dans l’atmosphère est un obstacle majeur à l’observation dans l’infrarouge lointain/sub-millimétrique [1]. Les molécules d’eau absorbent ce rayonnement et empêchent ainsi sa transmission jusqu’au sol. Deux choix s’offrent alors: observer depuis l’espace ou trouver des sites terrestres très secs. La base scientifique Concordia est établie sur le plateau antarctique Dôme-C à 1300 km de la base française Dumont d’Urville située sur la côte et à 3200 m d’altitude. Cette position géographique remplit les conditions propices à l’observation dans l’infrarouge, d’où de nombreuses campagnes cherchant à caractériser le potentiel du site.
Depuis 2008 l’équipe du SAp et du SIS (Service d’Ingénierie des Systèmes) a, en collaboration avec des chercheurs de l’université UNSW (University of New South Wales) et avec le soutien de l’Institut Paul Emile Victor (IPEV) et de l’Institut polaire italien (PNRA), conduit une expérience appelée SUMMIT2008 pour SUbMilliMetre Tipper version 2008 dans le but de mesurer la transmission de l’atmosphère à 200 micromètres. Les données acquises par cette expérience sont quotidiennement transmises via courrier électronique au CEA-Saclay en vue d’analyse.
Les résultats montrent des conditions exceptionnelles en terme de transmission absolue et de stabilité, paramètres clés pour un site astronomique. Grâce à une modélisation de la transmission de l’atmosphère, il est possible de traduire la transmission en quantité de vapeur d’eau condensable, soit en moyenne 0.2 mm de hauteur ou 0.2 litre par m2 (ceci est à comparer au 10 mm par cm2 obtenu par temps clair en région parisienne). Ce taux de vapeur d’eau remarquablement bas sur Terre permet d’observer à la longueur d’onde de 200 microns durant 20% de l’hiver, et pratiquement tout le temps à 350 et 450 microns (fenêtres moins sensibles à la concentration en vapeur d’eau).
Des conditions extrêmes pour l’instrumentation
La pression à la base Concordia est de 650 millibars, c’est-à-dire une pression ressentie équivalente à une altitude de 4000 m à nos latitudes. La température entre l’été et l’hiver varie de -30°C à -80°C. Ces contraintes climatiques extrêmes ont donc un impact sérieux sur le matériel et les instruments. La transparence de l’air entraine en particulier une intense formation de givre sur tout type de surface. Pour s’en affranchir, les ingénieur du CEA/Irfu ont mis au point une méthode de dégivrage basée sur un léger chauffage des instruments (+2°C par rapport à la température ambiante) et d’un soufflage d’air sec aspiré au ras du sol et projeté sur les optiques.
Le télescope millimétrique Cochise installé à Concordia a été équipé de ce dispositif, composé de réchauffeurs et d’un système de soufflage. La combinaison de ces actions décolle neige et givre et les pousse en dehors du miroir.
COCHISE (Cosmological Observations at Concordia with High-sensitivity Instruments for Source Extraction ou Observations cosmologiques à Concordia avec un instrument à haute sensibilité pour l’extraction des sources) est un radiotélescope submillimétrique italien de 2,6m de diamètre (crédit photo CEA).
CAMISTIC, une caméra pour l’Antarctique
En parallèle à ces expériences au Dôme C, le SAp/AIM et le SIS construisent une caméra autour d’un détecteur de type PACS/Herschel. Cet instrument, CAMISTIC (Caméra Millimétrique pour l’Antarctique), sera installé sur le télescope infrarouge IRAIT (International Robotic Antarctic Infrared Telescope), dont le miroir primaire mesure 80 cm. L’objectif principal est de mesurer la stabilité de l’atmosphère à 200 et 350 microns sur une ouverture de champ correspondant à ceux envisagés pour des observations astronomiques. Le télescope IRAIT résulte d’une collaboration européene sous responsabilité italienne (Université de Pérouse) avec une participation importante du SAp. Le télescope a obtenu sa première lumière en janvier 2011.
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L’instrument CAMISTIC utilise un système cryogénique autonome avec un pulse tube et un cryo-réfrigérateur à l’Hélium 3 (photo de gauche) construit par le Service des basses températures du CEA (SBT/INAC/DSM/CEA). Ce système permet de refroidir le détecteur de type bolométrique (PACS/Herschel) à 300 mK. Ce détecteur avait été utilisé précédemment pour la qualification de tenue aux radiations des matrices de bolomètres de l’imageur PACS sur l’observatoire spatial Herschel. Cette caméra doit pouvoir fonctionner dans les conditions polaires, de -30 à -80°C. Elle sera placée au foyer du télescope IRAIT (en phase d’installation sur la photo de droite). Le télescope a capté sa première lumière en janvier 2011. (crédit photos CEA)
A ce jour, l’ensemble cryogénie-détecteur a été testé à Saclay avec succès. Au vue des contraintes polaires, il est nécessaire de pouvoir piloter à distance la caméra. En conséquence, une liaison permettant de prendre la main par Internet a été testée avec succès entre Saclay et Concordia durant l’hiver austral 2011. Le projet entre maintenant dans une nouvelle phase de développement concernant l’optique, le contrôle électronique et l’étalonnage de l’instrument ainsi que la préparation du programme d’observation. L’objectif est d’installer la caméra au cours de la campagne polaire 2012-2013.
Contact : Vincent Minier, Gilles Durand, Pascal Tremblin
P. Tremblin, V. Minier, N. Schneider, G. Al. Durand, M. C. B. Ashley, J. S. Lawrence, D. M. Luong-Van,J. W. V. Storey, G. An. Durand, Y. Reinert, C. Veyssiere, C. Walter, P. Ade, P. G. Calisse, Z. Challita, E. Fossat, L. Sabbatini, A. Pellegrini, P. Ricaud, and J. Urban
– Première lumière pour « ArTeMiS-1 » (12 mai 2006)
– Une caméra du CEA dans la nouvelle station Concordia en Antarctique (12 juillet 2005)
– La page du SAp « Submillimetre (submm)/Far-Infrared (FIR) astronomy from Antarctica«
Notes :
[1] L’astronomie submillimétrique est une branche récente de l’astronomie qui étudie la formation des étoiles et des planètes, les propriétés physico-chimiques du milieu interstellaire des galaxies et l’évolution des galaxies à travers le rayonnement émis par le gaz et la poussière interstellaire à des longueurs d’onde entre 100 µm et 1 mm, entre l’infrarouge lointain et le domaine millimétrique. L’astronomie submillimétrique connait depuis 30 ans un essor important (avec aujourd’hui des projets de grande ampleur comme ALMA, Herschel,..) malgré une limite naturelle pour les télescopes au sol: la vapeur d’eau de l’atmosphère.
Rédaction: V. Minier, C. Gouiffès, G. Durand