Limitations physiques

Pour bien appréhender la mesure interférométrique, il faut non seulement comprendre la complexité d’un montage comprenant de nombreux sous-systèmes qu’est un interféromètre mais aussi les principaux effets affectant la mesure des franges d’interférence.

De nombreux problèmes peuvent altérer la mesure des franges (voir la figure 1.12) et en voici une liste (non exhaustive !) :

La stabilité opto-mécanique impérative pour un interféromètre impose des normes de cons-

truction et d’utilisation très strictes : les interféromètres sont construits dans des endroits si possible non sismiques, avec de profondes fondations et des éléments massifs (table optique, structures mécaniques). De plus, pour limiter au maximum les vibrations dues au vent, les fondations des bâtiments abritant le système sont indépendantes de celui-ci. De même, un soin tout particulier doit être apporté à la conception des éléments mobiles (moteurs, télescopes et lignes à retard) afin de limiter au maximum les vibrations.

La turbulence atmosphérique se manifeste par trois principaux effets :

1. Le piston (ou différence de marche entre deux télescopes), phénomène à grande échelle, crée une différence de marche aléatoire globale entre les télescopes. Il se manifeste par un déplacement des franges au niveau du détecteur. L’ordre de gran- deur du temps caractéristique de ce déplacement est de quelques dizaines de mil- lisecondes, et l’amplitude du déplacement des franges est de l’ordre de quelques dizaines de franges dans l’infrarouge proche. On utilise pour y pallier un sys- tème d’asservissement qui compense en temps réel les fluctuations de différence de marche. C’est ce qu’on appelle un suiveur de franges.

2. Les variations d’angle d’arrivée (tip-tilt), ou déplacement de la tache de diffraction du télescope, affecte aussi la recombinaison en gênant la superposition des fais- ceaux. On utilise pour compenser cet effet des systèmes de recentrage des faisceaux

1.3 L’interférométrie en pratique 27

Étoile à observer

Front d’onde incident

Tip/Tilt Télescope 2 Piston Atmosphère de températures différentes Cellules convectives Télescope 1 Vibrations du train optique du front d’onde

Correction active _{Système optique symétrique}

du front d’onde Correction active

Ligne à retard sous vide et thermalisé

Laboratoire propre de franges

Suiveur

F. 1.12 – Figure représentant les effets principaux affectant la mesure des franges d’interférence dans un interféromètre ainsi que les principaux systèmes permettant de les corriger : le piston affecte l’égalisation du chemin optique tandis que le tip-tilt affecte la superposition des faisceaux. L’asymétrie éventuelle du système optique introduit des effets de polarisation et la ligne à retard, si elle n’est pas sous vide, introduit des effets de dispersion chromatique. Les systèmes permettant de corriger la plupart de ces effets sont les systèmes de correction active du front d’onde de chaque télescope (optique adaptative ou miroir Tip-Tilt) ainsi que le suiveur de franges pour stabiliser le piston.

28 C 1 : Généralités

utilisant là aussi un système d’asservissement et des miroirs orientables (ou miroirs tip-tilt).

3. Les tavelures, ou speckles, créées par les contributions des ordres de Zernike su- périeurs, sont très rapidement variables (temps caractéristique de quelques millise- condes dans le visible). Différentes techniques permettent de limiter cet effet : – L’analyse multispeckle (sur GI2T : Mourard et al. 1989) permet d’utiliser de

grands diamètres (et donc d’avoir plus de flux) sans avoir de problème majeur de calibration à cause des tavelures. Cependant, la magnitude limite est limitée principalement par le diamètre de Fried r0(Roddier & Lena 1984a,b)

– Le filtrage spatial (dans FLUOR, VINCI, AMBER) consiste à ne sélectionner que la partie centrale de la tache de diffraction. On perd ainsi du flux mais on garde l’information de contraste.

– L’utilisation de petits télescopes (sur SUSI, IOTA, PTI, etc.) (diamètre de l’ordre du diamètre de Fried r0, Fried 1966,c’est à dire 10 cm dans le visible et 30 cm

dans l’infrarouge proche) limite ce phénomène à un simple tip-tilt. Cependant, cela se fait au prix d’une forte perte de sensibilité du système.

– Les interféromètres utilisant des collecteurs de grand diamètre (VLTI, Keck-I) font usage de l’optique adaptative pour corriger à la fois le tip-tilt et reconcentrer le flux dans la tache de diffraction.

Les effets de polarisation réduisent le contraste des franges et introduisent donc une visibilité

instrumentale qui peut être variable au cours du temps. Pour y remédier on construit des systèmes optiques entièrement symétriques au coût d’une complexité accrue et d’un nombre de miroirs plus grand.

Les différences de transmission entre les différents bras de l’interféromètre peuvent affec-

ter aussi la mesure interférométrique par une diminution de contraste effectivement me- suré sur le détecteur. Elles peuvent provenir de différents effets dont je donne une liste ici : transmission faible sur un des télescopes, rapports de Strehl différents, angles d’ar- rivée pas bien corrigés, pointage de deux étoiles différentes ;-). Pour cela on surveille sur des voies spécifiques le flux sur chaque ouverture et on effectue une calibration a posteriori (lors de la réduction des données).

La ligne à retard crée une différence de marche entre les deux faisceaux afin de compenser la

rotation de la Terre. Cependant, si celle-ci fait passer les faisceaux lumineux dans l’air, du fait du chromatisme de l’indice de réfraction de l’air, on obtient au foyer interféro- métrique une diminution du contraste des franges. Une solution consiste à placer toute la ligne à retard dans des tubes à vide (comme dans IOTA) afin de s’affranchir totalement de ce problème.

Le chromatisme des éléments optiques peut, comme pour les lignes à retard, affecter le con-

traste des franges. Les éléments optiques fortement chromatiques tels que les fibres, les cubes polariseurs ou toutes les surfaces optiques traversées obliquement doivent donc être conçus et testés avec soin avant d’être utilisés.

Les bruits fondamentaux (bruit de photon, bruit de détecteur et bruit thermique) affectent la

1.3 L’interférométrie en pratique 29