ELTs - Observatoire de Paris

ELTs : vers une vision
européenne
Journée du Programme National Galaxies
1er Mars 2006
F. Hammer
Les projets ELTs
(Extremely Large Telescopes)
• Europe: OWL & post-OWL, ELT Design Study
• US: TMT, GMT
• Coûts (capital): 500 M€ - 1 G€
• Seules des études financées à ce jour:
~ 30-50 M€ en coût consolidé US / Europe
• Calendriers: 2015 -2020
ELT - Europe (1)
Résolution de stratégie scientifique du conseil de l’ESO:
• ESO’s highest priority strategic goal must be the European
retention of astronomical leadership and excellence into the era
of Extremely Large Telescopes
• (…)
• the construction of an Extremely Large Telescope on a
competitive time scale will be addressed by radical strategic
planning (...)
F. Hammer
ELTs - Programme National Galaxies
01-03-2006
ELT - Europe (2): post-OWL
• OWL, télescope de 100m: projet supporté par fonds propres ESO
Revue de faisabilité Automne 2005 :
« Les risques techniques, de cout et de planning ont conduit a
recommander une nouvelle phase de définition détaillée, avec des
buts plus réalistes, pour un télescope de plus petit diamètre, moins
complexe (secondaire monolithique, plate-forme pour les instruments
etc…) »
 OWL n’est plus le projet d’ELT Européen
 2006: phase de re-définition d’un ELT d’environ 40 mètres
-Un ou deux concepts fin Mai 2006 (miroir sphérique ou asphérique)
-Un concept d’ELT Européen fin 2006
-Workshop projet européen en Novembre 2006
F. Hammer
ELTs - Programme National Galaxies
01-03-2006
ELT - Europe (3)
• ELT dans la liste des infrastructures de recherche prioritaire
de l’ESFRI (forum stratégique européen pour les
infrastructures de recherche):
– Physics and Astronomy
• Astronomy
– Extremely Large Telescope (ELT) – for optical astronomy –
• Nuclear Physics
– Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR)
– Facility for intense secondary beams of unstable isotopes (SPIRAL II)
• Astroparticles
– European deep-sea neutrino telescope (KM3NeT)
– “Global projects”
ITER – International Space Station (ISS) – International Linear Collider
(ILC) – Square Kilometer Array (SKA) – radio telescope – International
Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF)
F. Hammer
ELTs - Programme National Galaxies
01-03-2006
ELT - Europe (4): ELT Design Study
• Programme 6ème PCRD
–
–
–
–
27 participants
30.5 M€ dont 8.4 CE (importante contribution propre)
1/3 ESO, 1/3 industrie, 1/3 instituts
4 ans: 2005-2008
• Programme technologique ‘générique’: fabrication
optique, optique adaptative, contrôle, mécanique, tenue
au vent, instrumentation, études de site, modélisation.
• Participation française:
–
–
–
–
INSU (CRAL+GEPI+LESIA+LAM) + Univ. Nice
10 WPs
~ 700 k€ labos
Fogale + SAGEM + SESO
F. Hammer
ELTs - Programme National Galaxies
01-03-2006
ELT - Europe (5):
Science case (OPTICON)
• 3 programmes clefs:
– Planètes extra-solaires dont les Terres
– Populations stellaires résolues
– Les premières galaxies et la formation des galaxies actuelles
– CODEX: the COsmic Differential EXpansion experiment
– (R= 105, stability: 10 cm/s on > 10 years, QSO abs. lines)
F. Hammer
ELTs - Programme National Galaxies
01-03-2006
Exo-planètes et exo-terres
• 20 milli-arcsec for a 100m telescope = 1 AU at 50 pc
Système
solaire vu à
10 pc
• Specifications:
–
–
–
–
–
–
High-contrast imaging and low-resolution spectroscopy
Coronography and other contrast-enhancing methods
Spatial Resolution: Very high-Strehl ratio (about 90%) adaptive optics
Spectral Resolution: R~500-1000
Wavelength Range: 0.6-1.4mm
Dynamic Range constraint: 1010 contrast in brightness between star and an
Earth-like planet; a challenge: residuals!
– Telescope Size: As large as possible for spatial resolution and collecting area;
100m class telescope needed to study Earth-like planets
F. Hammer
ELTs - Programme National Galaxies
01-03-2006
Populations stellaires résolues
Imagerie et spectroscopie directe d’etoiles dans galaxies
‘proches’ sur toute la séquence de Hubble jusqu’à Virgo
M32
• OA 8m
• JWST
• 30m
• Specifications – Imaging & Spectroscopy
–
–
–
–
Field of View: few arcmin
Spatial Resolution: Diffraction limited
Wavelength Range: optical and near–IR
V = 35 (imaging) ! V=28 (spectroscopy)
F. Hammer
ELTs - Programme National Galaxies
01-03-2006
Les premières galaxies et la formation
des galaxies
• Specifications
3WFS/IFU
multiIFUs
F. Hammer
– Observation Type: Imaging and multi-IFU
– Field of View: 5 arcmin or more – a goal of
10x10 arcmin is desirable.
– Spatial Resolution: Local (along line of sight
to targets) AO correction with a goal of at
least 50% encircled energy within 0.01 to 0.1
arcsec (TBD).
– Spectral Resolution: 5000–10000.
– Wavelength Range: 1.0-2.4 μm.
– Target Density: 0.2–5 per arcmin2
– Telescope Size: as large as possible for
collecting area.
==> Falcon type concept + Laser stars
ELTs - Programme National Galaxies
01-03-2006
ELT – Europe
• Funding (studies):
30.5 M€ including 8.4 from EC
+ ESO funds
• Estimated cost: 600-700 M €
• OWL changed ==> 42m filled
aperture, highly segmented
• Adaptive optics designed !
• Field of view 10 arcmin
• Wavelength coverage 0.31 – 28
µm
==> a unique design ‘til October 2006
==> ESO’s highest priority strategic
goal
F. Hammer
ELTs - Programme National Galaxies
01-03-2006
ELT – US :
•
TMT & GMT
Funding (studies):
– 17.5 M$ private funds (Moore
fundation)
– + Canada (10 M$, manpower…)
•
•
•
•
Estimated cost: 600-700 M$
30m filled aperture, highly segmented
Field of view 20 arcmin
Wavelength coverage 0.31 – 28 µm
F. Hammer
ELTs - Programme National Galaxies
•Funding (studies):
–8 US Universities + AURA
•Estimated cost: 500 M$ ?
• Seven 8.4m mirrors
01-03-2006
Contexte Global
• Cycle de réunions entre agences (2 fois/an) pour
discussion des projets ELTs (+SKA)
– US (NSF), UK (PPARC), Canada (HIA), ESO, Japon, Australie,
Afrique du Sud, France (INSU), Italie (INAF), Allemagne, PaysBas, Espagne
• Evolutions possibles ? Projet commun, 1 télescope US +
1 télescope Européen, 1 Nord & 1 Sud, complémentarité
(instruments), temps partagé, … ???
 situation très évolutive
ELT - France
• Groupe de travail CSA – INSU (J.G. Cuby)
(www.oamp.fr/elt-insu/)
• Coordination nationale activités scientifiques et
techniques en France
– E.g. collaboration CRAL / LAM / OPM / ONERA sur
instrumentation OWL et ELT DS
– Financement missions colloques
– Interface ASHRA, groupe exoplanètes, etc.
– Préparation FP7
• Bonne participation française aux activités ELT
science case (OPTICON), ELT Design Study,
études OWL/ESO.
• Participation insuffisante sur l’OA (Lesia, Onera)
Les ELTs en France
2000-2002: NG-CFHT, collab. LAM-OP-ONERA
2001+: concept et R&D « Falcon ou MOAO »
(adopté pour TMT et ELT Européen)
2005: OWL/MOMFIS (collab. LAM-OP)
2005-2008: participation à ELT-DS (inst. cosmo
& évolution des gal. + exo-planètes/XAO & coronographe)
2006+: proposition d’instrument cosmologique (LAM-OPCRAL-ONERA etc…) « a la Falcon/Momfis ou MUSE »
Conclusion
• Situation similaire à celle du début des
années 1980s versus le VLT (1997!)
• Premières revues d’instruments au TMT:
15 Mars 2006 (1st light: 2015…)
• L’ESO désire conduire le projet AVEC les
Instituts et laboratoires européens
• Une opportunité unique pour valoriser
l’expertise des labos français
Key ELT Technology Points
Adaptive Optics
(high order DMs,
Controls)
Mirror Segments
(mass production)
Adaptive Secondary
Mirror
(face sheet, controls)
Instruments
(detectors, optical
systems)
Sodium Lasers
(availability)
MCAO: banc de test
Observatoire de Paris
http://www.lesia.obspm.fr/astro/optada/pages/sesame/
Banc Sesame (E. Gendron et al.):
multipurpose bench for tests of
- MCAO and GLAO concepts
- Falcon concept (multiobject)
- Magnetic / electrostatic µmirrors
- New WFS concepts
- Coupling in monomode fibers
-…
Simulations numériques
Etablissement des spécifications instrumentales de haut
niveau basée sur les simulations et sur les observations
effectuées sur le VLT (NACO, GIRAFFE, SINFONI)
>> Un post doc financé un an sur ce sujet (M. Puech)
Simulations et dimensionnement des sous-systèmes
d’Optique Adaptative basés sur l’excellence de l’école
OA grand champ
(MOAO, GLAO, LGS) en conditions idéales
française (axe OP, ONERA
essentiellement).
>> Une thèse démarrée en octobre 2005 sur ces
problématiques OA vs. ELTs (B. Neichel)
==> en collaboration avec l’équipe OA de l’ESO
Axes de R&D (1)
- Les écrans de phase
1er type d’écrans (turbulents):
Forte amplitude
(~ 6µm)
distribution des fréquences spatiales type Kolmogorov
Empilement obtenu par microlithographie
(résine – couche réfléchissante)
2e type d’écrans (corrigés):
faible amplitude
(~ 0,7 µm)
fréquences spatiales élevées uniquement  représentatif d’un
front d’onde corrigé par un système d’optique adaptative
- La simulation de la segmentation des ELTs
Simulateur de segmentation:
chaque miroir présente une sur-épaisseur hexagonale
Axes de R&D (2)
- Faisabilité des analyseurs de surface d’onde d’un instrument de type FALCON
Une miniaturisation est en cours d’étude afin d’avoir la
possibilité d’implanter directement les analyseurs dans le
plan focal des ELTs.
La lumière est transportée par fibres jusqu’au module
d’analyse (déporté afin de ne pas encombrer le plan focal).
R&D associée
microlentilles de formes novatrices
pour l’injection dans les fibres
fabrication de
torons de fibres
Les atouts de l’Observatoire
Participation des membres de l’Observatoire à:
- ELT-WG-INSU (4 personnes)
- ELT Science case (5 personnes)
- ESO-ELT-WG (2 personnes)
- revue de projet TMT/IRMOS
Les faiblesses:
Retour insuffisant sur Opticon (!) et ELT-DS (rien sur
la partie OA!)
Les ELTs à l’Observatoire
Vers un ELT Européen
==> participation aux définition scientifiques
==> positionnement sur les instruments
==> collaboration renforcée en France
==> vers une proposition d’instrument à forte
composante française (avec LAM/CRAL/ONERA)
- demande ANR
- Préparation du FP7
- Collaboration envisagée avec l’ELT project office
de l’ESO
www.oamp.fr/elt-insu/