Département d'Ingénierie des Systèmes

Observer dans la bande 10-20 microns depuis le sol: une tâche loin d'être évidente.

Une grande partie du rayonnement électromagnétique infrarouge provenant du ciel est très fortement absorbé, voire totalement bloqué par notre atmosphère excepté dans quelques fenêtres transparentes. Mais l'observateur doit aussi faire face à deux autres types de difficultés. D'une part, l'atmosphère est une source de rayonnement intense dans l'infrarouge. D'autre part le télescope et l'instrument émettent également dans ce domaine[1]. Le choix d'un lieu d'observation pauvre en vapeur d'eau permet d'amoindrir le premier handicap: c'est effectivement le cas pour le site du VLT à Paranal dans le désert d'Atacama, un lieu extrêmement sec. Le problème de l'émission thermique[1] de  l'instrument (en particulier de ses détecteurs) est quant à lui grandement diminué en refroidissant les différents éléments à l'aide de puissants systèmes cryogéniques (machines à froid). Ainsi les détecteurs de VISIR sont-ils maintenus à une température constante de 5°K (soit -269°Celsius). Il n'en reste pas moins que l'observateur doit relever le défi d'extraire le signal provenant de son objet céleste favori noyé dans un bruit de fond 10000 fois plus intense!  Une alternative "naturelle" pour palier au problème de l'émission thermique de l'atmosphère consisterait dans l'absolu à embarquer le télescope sur un satellite. Mais mettre en orbite un télescope de 8 mètres posent encore aujourd'hui quelques problèmes... En fait les deux approches sont complémentaires. Ce domaine de l'infrarouge moyen est actuellement l'objet d'un gros effort à l'échelle mondiale montrant l'intérêt de la communauté scientifique à l'exploration de l'univers dans ce domaine d'énergie. Les caractéristiques de VISIR (très haute résolution spectrale dans la limite de diffraction [2]) le place particulièrement bien dans cette compétition internationale.

 Emission thermique [1]. Tout corps dont l'émission lumineuse obéit à la loi dite de corps noir présente une propriété particulière. Le produit de la longueur d'onde correspondant au maximum de son émission par sa température est une constante. Le Soleil qui a une température de surface de 6000°K montre un maximum d'émission à la longeur d'onde de 0.48µm. Cette valeur correspond à la couleur jaune si familière de notre astre. Un objet ayant une température de 400°K montre quant à lui un maximum d'émission à la longueur d'onde de 7.5µm. Cette simple loi indique également que l'émission de l'atmosphère ou de tout matériel à température ambiante (comme un télescope) présente une émission maximale dans la gamme d'énergie couverte par VISIR. Atmosphère et télescope constituent donc une source de pollution indéniable. Les techniques d'observation pour diminuer ces effets nocifs peuvent se résumer à effectuer une série de poses alternativement sur l'objet puis sur une région  voisine sur le ciel, la différence constituant le signal recherché.
Limite de diffraction[2].. La nature ondulatoire de la lumière implique que la tache minimum d'une source  ponctuelle observée au foyer d'un télescope ne peut être inférieure à une certaine valeur. Cette limite physique ou tâche d'Airy (du nom du scientifique anglais du 19^ème siècle ayant découvert cette loi) est proportionnelle à la longueur d'onde et inversement proportionnelle au diamètre du télescope (~Lambda/Diamètre). Cette limite de diffraction décrit donc la finesse maximale de l'image (ou résolution spatiale) que l'on peut obtenir. Pour une longueur d'onde de 10µm (domaine de VISIR) et un télescope de 8 mètres de diamètre (Le VLT),  cette tâche est de 0.3 seconde d'arc. Cette limite peut néanmoins être dégradée par la turbulence de l'atmosphère. La remarquable qualité de ciel sur le site du VLT à Paranal ainsi que sa grande stabilité permettent d'atteindre la plupart du temps la limite de diffraction, en d'autres termes de bénéficier des meilleurs qualités d'images possibles.