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Moteurs pas à pas pour un GPS pour la voie lactée

Manque de connaissances galactiques

Lorsqu'il s'agit d'explorer notre propre galaxie spirale en disque, les astronomes ont un problème fondamental : la Terre n'est pas exactement en son milieu, mais elle est bien quelque part sur le disque de la Voie Lactée. Si l'on veut regarder d'ici vers son centre, ou même au-delà, la vue est obstruée par d'innombrables étoiles. Et depuis notre point de vue terrestre, il est très difficile, voire impossible, de déterminer où ces étoiles se trouvent sur notre disque commun. L'une des régions que nous connaissons particulièrement peu est justement la partie dense au centre de la galaxie, où des tas d'étoiles et de nuages de gaz se regroupent autour d'un trou noir présumé.
Mais un grand projet d'astronomie est sur le point de combler de nombreuses lacunes. Huit instituts de plusieurs pays sont impliqués dans cette entreprise. Le projet a été commandé par l'Observatoire européen austral (ESO). Cette organisation scientifique exploite quelques-uns des télescopes les plus puissants du monde dans le désert chilien d'Atacama, notamment le Très Grand Télescope (VLT) de l'Observatoire du Cerro Paranal, dont le diamètre de chacun des miroirs est de 8,2 mètres.
L'objectif du projet est d'équiper le VLT d'un nouvel instrument pour l'acquisition de signaux optiques en provenance de l'espace. L'instrument en question est un spectrographe capable de détecter simultanément un grand nombre d'objets cosmiques dans les parties visible et infrarouge du spectre. Son abréviation donne son nom au projet : MOONS vient de Multi-Object Optical and Near-infrared Spectrograph (spectrographe optique multi-objets et proche infrarouge). Il est coordonné par l'United Kingdom Astronomy Technology Centre (UK ATC) depuis la capitale écossaise d'Edimbourg.

Un spectre à la place d'une photo

« Sur un appareil photo de haute qualité, vous pouvez changer l'objectif. Avec un télescope d'astronomie, c'est le contraire : le VLT a un excellent objectif, nous remplacerons simplement la « caméra » actuellement connectée par notre MOONS », explique William Taylor, chercheur à l'UK ATC. Avec sa technologie innovante, MOONS ouvre de toutes nouvelles possibilités dans l'observation de l'espace, même s'il ne produit pas d'images grande format au sens traditionnel du terme. Au lieu de cela, il capture des détails infimes.
Voilà comment cela marche : les lentilles et miroirs géants du VLT sont dirigés vers la partie de l'espace à observer, comme auparavant. Puis les extrémités des exactement 1001 fibres optiques de MOONS sont orientées vers les objets individuels de cette région cosmique. Au lieu de reproduire l'ensemble de la zone sélectionnée comme le ferait une caméra, le nouvel instrument focalise les fibres sur des points spécifiques de l'Univers. Et même ces points ne sont pas simplement photographiés : leur lumière est fractionnée en ses différentes composantes, ses longueurs d'onde, au moyen de prismes.
« D'un point de vue scientifique, cette méthode fournit beaucoup plus d'informations qu'une simple image, explique M. Taylor. Par exemple, nous pouvons en apprendre davantage sur la composition chimique de l'objet. Cela nous permet aussi de calculer sa dynamique, c'est-à-dire la vitesse et la direction de son mouvement. Puisque MOONS capture le spectre du proche infrarouge, nous pouvons analyser avec précision le décalage vers le rouge que la lumière des objets éloignés subit sur son chemin vers nous. » Lorsqu'une étoile s'éloigne de la Terre, la longueur d'onde de sa lumière s'allonge. Une partie de la lumière visible se décale ainsi vers l'infrarouge invisible, qui est encore proche du spectre visible.

Moteurs pas à pas pour un GPS pour la voie lactée
Unité de positionnement de fibres (FPU) | Réducteur moteur à l'avant (axe bêta) | Réducteur moteur à l'arrière (axe alpha) © eso.org

Des milliers d'objets en vue

La technologie disponible jusqu'à présent permettait d'observer au maximum une centaine d'objets individuellement, et ce uniquement dans le domaine de la lumière visible. Avec MOONS, non seulement ce nombre sera décuplé, mais la profondeur de l'information augmentera également. Dans la Voie Lactée, il sera donc possible de regarder plus précisément entre les arbres et d'avoir une image bien plus claire de la forêt entière.

« L'un des objectifs du projet est de créer une carte 3D de la Voie Lactée qui permettra une sorte de navigation GPS à travers notre galaxie. La technologie MOONS avec sa résolution sans précédent nous permet également de regarder très loin, et donc aussi très loin dans le temps. Nous pourrons approcher le Big Bang à quelques centaines de millions d'années près. » Cela donnera aux scientifiques un aperçu de l'enfance de l'Univers. Et bien qu'il soit déjà possible aujourd'hui d'y jeter un coup d'oeil, MOONS nous donnera une image beaucoup plus claire et détaillée, selon M. Taylor. « Nous serons capables de cartographier l'Univers à une profondeur sans précédent. »

Les astronomes veulent cibler plusieurs millions d'objets sur une période d'environ cinq ans. Pour atteindre cet objectif, les 1001 fibres optiques du spectrographe doivent être orientées rapidement et de manière quasi-automatisée vers les cibles cosmiques. Cette tâche est effectuée par autant d'unités de positionnement de fibres (FPU). Chaque FPU est équipée de deux unités d'entraînement à moteur pas à pas montées sur des réducteurs à étages à jeu réduit. L'une, à l'arrière, déplace l'axe central (alpha) des FPU. Montée de manière excentrique par rapport à cette dernière, l'unité d'entraînement moteurréducteur à l'avant (bêta) déplace en même temps l'extrémité de la fibre. La combinaison des deux mouvements axiaux permet à chaque FPU de couvrir une zone circulaire à l'intérieur de laquelle la fibre peut être orientée à volonté. Cette zone chevauche partiellement les zones des FPU adjacentes. De cette façon, il est possible de cibler chaque point de la zone de capture. Pour répondre aux exigences élevées en termes de reproductibilité de la position, ce qui est aussi indispensable pour éviter les collisions entre les extrémités des FPU, le système d'entraînement doit être extrêmement précis. Pour assurer la précision requise et éviter les collisions entre les pointes des FPU, les systèmes doivent fonctionner avec une reproductibilité élevée. Les moteurs pas à pas de haute qualité proviennent de FAULHABER PRECISTEP et les réducteurs sans jeu de FAULHABER Minimotor contribuent à la précision du positionnement. La filiale de FAULHABER mps assure la conception mécanique des modules.

Moteurs pas à pas pour un GPS pour la voie lactée
Plaque focale équipée de toutes les FPU (pas le module réel) | © eso.org

Dispositif de visée sur mesure

« Nous avons reçu une contribution très précieuse des trois sociétés participantes du FAULHABER Group, rapporte Steve Watson, responsable du développement des FPU à l'UK ATC. Sans leur savoir-faire unique, il nous aurait été impossible de développer ce module central sous cette forme, et surtout de le fabriquer dans les quantité requises. Outre la vitesse à laquelle les fibres optiques sont orientées, une précision maximale est également importante. Nous atteignons une précision de 0,2 degré et une reproductibilité de la position jusqu'à 20 microns. Compte tenu de la longueur des FPU et de la conception modulaire, ce sont des valeurs exceptionnelles. Par ailleurs, l'alignement correct par rapport à la plaque focale sur laquelle sont disposés les modules est également maintenu dans toutes les positions. »
La haute précision et l'extrême fiabilité des composants permettent de garder le contrôle simple, ce qui est une autre condition pour le bon fonctionnement du spectrographe. La complexité de l'électronique et de la logique de commande serait un obstacle majeur au contrôle rapide et simultané des 1001 unités. Grâce à la haute qualité des composants, l'orientation précise est obtenue au moyen d'un simple contrôle en boucle ouverte. La technologie doit également être très robuste et pratiquement sans entretien afin de pouvoir exécuter les tâches sans interruption pendant la durée de vie prévue de dix ans de l'installation.
Le chef de projet Alasdair Fairley voit déjà plus loin que ces préoccupations techniques : « Le travail avec MOONS avance bien. Nous espérons pouvoir installer le spectrographe à l'été 2021. La mise en service prendra environ six mois, de sorte que nous pourrons probablement commencer la cartographie au début de l'année 2022. Nous sommes confiants que les FPU resteront pleinement opérationnels pendant dix ans sans maintenance. »

Moteurs pas à pas pour un GPS pour la voie lactée
Moteurs pas à pas
Entraînement de positionnement économique sans codeur
Densité de puissance élevée
Très forte accélération
Possibilité de changement de direction extrêmement rapide
Durable
Large plage de températures de fonctionnement
Fonctionnement possible en mode pas entier, demi-pas ou micro-pas
Inertie du rotor très faible
Détails

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