Télescope géant européen

Les motivations à l'origine de la construction d'un télescope de très grande taille sont résumées dans la première étude de l'Observatoire européen austral (ESO) réalisée sur le sujet[5] :

• au cours de la seconde moitié du XX^e siècle l'accroissement de la sensibilité des télescopes optiques est liée essentiellement (à hauteur de 80 %) aux améliorations apportées aux instruments placés aux foyers optiques et exploitant la lumière collectée. Dans la mesure où ceux-ci ont atteint une quasi perfection, il est désormais nécessaire, pour maintenir le même rythme de progrès scientifiques, d'accroître de manière importante le diamètre des télescopes ;
• les objectifs prioritaires dans le domaine scientifique, tels que la détection et la caractérisation des exoplanètes similaires à la Terre ou l'étude spectroscopique des galaxies les plus lointaines et d'autres objets comme les supernova ou les sources de sursauts gamma, nécessitent de disposer de télescopes dont le diamètre atteint 100 mètres ou plus ;
• l'utilisation d'un miroir segmenté introduite par le Multiple Mirror Telescope permet d'envisager des miroirs de beaucoup plus grande taille. Les contraintes découlant d'un diamètre élevé relèvent désormais uniquement des domaines de la mécanique et de la cinématique. L'existence de radiotélescopes de 100 mètres et plus constitue un précédent et une source d'inspiration même si les exigences sont beaucoup moins élevées lorsqu'il s'agit d'observer les grandes longueurs d'onde ;
• l'arrivée à maturité des techniques de correction du front d'ondes, en particulier l'optique adaptative, permet aux télescopes terrestres d'accéder au domaine des hautes résolutions angulaires réservées jusque-là aux télescopes spatiaux comme Hubble.

L'OWL de 100 mètres de diamètre (vue d'artiste).

À partir de 1998, l'Observatoire européen austral (ESO) mène des études de conception d'un télescope géant comportant un miroir de plus de 100 mètres de diamètre. Les premières études de faisabilité de l'Overwhelmingly Large Telescope (OWL) sont peu approfondies. Mais progressivement le projet prend de l'ampleur. En décembre 2004, le Conseil de l'ESO décide de compléter rapidement les études en cours en s'appuyant largement sur son expertise interne mais également sur l'avis des industriels et de la communauté scientifique avec comme objectif de faire évaluer le projet fin 2005 par un panel d'experts internationaux. Le télescope envisagé a un miroir primaire d'un diamètre de 100 mètres avec une surface collectrice de 6 000 m². Au-delà de la faisabilité technique, l'objectif de l'étude est de modifier le ratio entre coût et diamètre (D) du miroir primaire régi jusque-là par une loi D^2,6 (D puissance 2,6) en le faisant passer à D^1,4. Le rapport d'étude du projet OWL Blue-Book est publié en octobre 2005. Il confirme la possibilité technique de réaliser un observatoire de la taille envisagée. Le panel d'experts consulté en novembre 2005 donne un avis favorable à la principale innovation technique embarquée consistant à insérer au moins un miroir adaptatif au sein du télescope. Mais la commission identifie plusieurs risques techniques : recours à un miroir M2 segmenté et à un miroir M4 fortement asphérique, système de guidage laser mal adapté à la taille du miroir. Compte tenu de ces risques et un coût (évalué à 1,2 milliard €) dépassant la capacité financière de l'ESO pour une construction s'étalant sur la période envisagée (2008-2020), le panel d'experts conseille plutôt de développer un télescope de taille plus modeste, ayant un miroir d'un diamètre compris entre trente et soixante mètres, considérant que la complexité et la dérive budgétaire inhérente à ce type de projet seraient mieux maîtrisées[6].

La taille de l'E-ELT et du VLT comparée à celle de l'Arc de Triomphe.

En décembre 2005, le projet baptisé dans son nouveau format E-ELT (European Extremely Large Telescope) entre dans une phase de consultation avec la communauté astronomique internationale, visant à définir les caractéristiques détaillées du télescope. Cinq groupes de travail sont formés pour définir les différentes caractéristiques du télescope : identification des objectifs scientifiques, choix des instruments, sélection du site d'implantation, architecture du télescope et étude de l'optique adaptative. Durant l'été 2006, les rapports de chaque groupe sont remis à l'ESO. Ces rapports conseillent que l'ELT soit capable d'observer dans le domaine visible et infrarouge. Le 1^er juin 2006, Jason Spyromilio est désigné comme directeur du projet E-ELT. Le 11 décembre 2006, les membres de l'ESO décident de lancer les études préalables à la construction de l'E-ELT. Le diamètre prévu du miroir est de 39 mètres[7], pour un coût total de l'appareil estimé entre 800 millions et un milliard d'euros.

Le sommet du Cerro Armazones aplani pour accueillir l'ELT.

En mars 2010, le comité de sélection décide de construire l'E-ELT sur le sommet du Cerro Armazones à un peu moins de 3 000 mètres d'altitude. Le site est situé à une vingtaine de kilomètres du Cerro Paranal qui héberge déjà l'instrument phare de l'ESO, le VLT[8]. Cette région située dans le désert de l'Atacama au nord du Chili se caractérise à la fois par une extrême sécheresse et une nébulosité très faible qui permet des observations de très grande qualité avec peu d'interruptions liées à la météorologie. Le site retenu avait été préempté par le passé pour la construction de l'homologue américain de l'E-ELT, le Télescope de Trente Mètres, qui a finalement retenu une implantation sur le Mauna Kea dans l'archipel d'Hawaï. Parmi les sites écartés figurent l'Observatoire du Roque de los Muchachos situé dans l'archipel des Canaries (Espagne) qui héberge déjà de nombreux télescopes, bien que l'Espagne ait proposé de payer 25 % du coût de la construction[9]. Le Cerro Armazones est situé à 24° 35′ 52″ S, 70° 11′ 46″ O et à une altitude de 2 762 mètres[10]. Il existe déjà à cet endroit un observatoire géré par l'Institut d'astronomie de l'université catholique du nord et l'institut d'astronomie de l'université de Bochum[11]. Le conseil de l'ESO, le 26 avril 2010 a sélectionné officiellement le site de Cerro Armazones[12]^,[13]. Le 13 octobre 2011, un accord est signé entre le Chili et l'ESO pour la dotation de terrains ainsi que la création d'une zone protégée. Le lancement des travaux est programmé pour 2011 et les premières opérations sont prévues pour le début des années 2020.

Le ministre chilien des Affaires étrangères Alfredo Moreno Charme (en) (à droite), et le directeur général de l'ESO, Tim de Zeeuw signent l'accord portant sur la construction de l'observatoire (13 octobre 2011).

Le 9 décembre 2011, le Conseil d’administration de l’Observatoire européen austral (Conseil de l’ESO), approuve un budget qui permet de financer les travaux préparatoires sur la route conduisant au site de l’E-ELT au Cerro Armazones et de commencer les développements de certains composants optiques complexes. La décision a été précédée par la signature d'un accord entre l'ESO et le gouvernement chilien portant sur la donation du terrain occupé par le futur télescope et une concession à long terme pour établir une zone protégée autour de celui-ci et le soutien du gouvernement chilien pour l'installation de l'observatoire. Le 11 juin 2012 le Conseil de l'ESO entérine, lors de sa réunion à Garching, la construction de l'E-ELT et de son premier lot d'instruments. Les travaux de construction de la route et de nivellement débutent cette année-là. Le 28 octobre 2013, le président du Chili, Sebastián Piñera remet les documents juridiques signés qui officialisent le transfert à l'ESO, des terres situées autour du Cerro Armazones pour la construction de l'E-ELT[14].

Le conseil de l'ESO se réunit le 4 décembre 2014 alors que le budget alloué à la construction de l'E-ELT (1 083 millions d'euros 2012) n'est financé qu'à hauteur de 71 %. Or l'ESO a une règle qui nécessite que plus de 90 % du budget soit débloqué pour que les travaux de plus de deux millions d'euros soient lancés. L'ESO est notamment en attente de la finalisation de l'adhésion de la Pologne (qui doit porter la part financée à 78 %) et du Brésil qui doit contribuer au budget de l'ESO à hauteur de 190 M€ pour les dix années suivantes mais dont la phase de ratification prend du retard. Pour tenir l'échéance de 2024, l'ESO décide en décembre de décomposer la livraison du télescope en deux phases dont la première porte sur un périmètre réduit permettant de lancer les travaux en respectant la règle budgétaire des 90 %. Les éléments suivants sont reportés à la phase II[15] :

• 210 des 798 segments de miroir formant le miroir primaire. Les miroirs repoussés en phase II forment les cinq rangées internes ;
• 133 segments de miroir qui doivent servir de pièces de rechange afin de permettre l'entretien continu du miroir primaire ;
• deux des six lasers utilisés par l'optique adaptative ainsi que le module LTAO qui doit contribuer aux performances des instruments METIS et HARMONI ;
• une des stations pré-focales.

Travaux des fondations de l'ELT, juillet 2018.

Le marché de travaux a été remporté par le groupement d'entreprises italiennes Astaldi pour le gros œuvre et Cimolai SpA pour toute la partie structure métallique et le dôme[16].

Les travaux de terrassement de la plateforme de l'observatoire sur le Cerro Armazones débutent le 19 juin 2014.

La première pierre de l'édifice est posée le 26 mai 2017 par la présidente chilienne Michelle Bachelet[17].

En mai 2018, les fondations des bâtiments commencent[18]. La pandémie de covid-19 ralentit considérablement les travaux en 2020, qui ne reprennent réellement qu'à partir de mi-2021. En janvier 2022, les fondations en béton sont pratiquement terminées[19].

La structure du télescope E-ELT doit, malgré la masse énorme de l'ensemble (2 800 tonnes) fournir un support suffisamment rigide pour le miroir primaire, permettre un pointage de l'instrument avec une précision de 1 seconde d'arc et une poursuite de la cible avec une précision de 0,3 seconde d'arc. La structure doit également limiter l'amplitude et la fréquence des écarts de position du miroir secondaire par rapport au miroir primaire. La structure est composée de deux sous-ensembles[14] :

• la structure azimutale permet de pointer l'instrument en azimut (direction) et supporte l'essentiel des efforts verticaux lors de la mise en œuvre de l'instrument. Elle est composée d'un plancher qui pivote sur trois rails circulaires de 51,5 m, 34 m et 4,5 mètres de diamètre. Sur ce plancher sont fixées les deux plateformes Nasmyth de 12 x 29 m et d'une masse de 150 tonnes qui accueillent les instruments et les stations pré-focales. L'axe horizontal du télescope s'articule sur ces plateformes. L'ensemble a une masse de 1 300 tonnes ;
• la structure d'altitude supporte les différents miroirs de l'optique du télescope. Dans la lacune centrale du miroir M1 une tour en treillis sert de support aux miroirs M3, M4 et M5. L'ensemble a une masse de 1 500 tonnes.

Parcours de la lumière dans l'E-ELT : du miroir primaire M1 au foyer Nasmyth (F).

Outre la taille de ses miroirs, l'E-ELT se distingue des grands télescopes existants par l'insertion de deux miroirs de l'optique adaptative. Il comprend cinq miroirs[34]^,[35] :

• le miroir principal M1 (f/0,93) de l'E-ELT a un diamètre de 39 mètres et, compte tenu de sa taille, utilise la technique du miroir segmenté, c'est-à-dire qu'il est formé de l'assemblage de plusieurs « petits » miroirs. Il comprend 798 éléments hexagonaux de 1,45 mètre de diamètre et 40 millimètres d'épaisseur assemblés comme ceux du télescope Keck à Hawaï. Le miroir M1 comporte une lacune centrale d'un diamètre de 11,1 mètres correspondant à la zone interceptée par le reste du train optique. La masse du miroir primaire est de 150 tonnes. Le miroir M1 est soutenu par 30 000 supports qui corrigent en temps réel les efforts dus aux mouvements de flexion et de déformation générés par le vent et la rotation du miroir ;
• la lumière reçue par le miroir primaire est renvoyée vers le miroir secondaire M2 de 4 mètres de diamètre ;
• le miroir M3 (4,2 mètres de diamètre) ;
• le miroir M4 de (2,4 mètres de diamètre) est le premier des deux miroirs qui forment l'optique adaptative. Il est constitué de six pétales minces en vitrocéramique de 2 mm d'épaisseur fabriqués par la société REOSC ;
• et enfin le miroir M5 (2,7 mètres de diamètre) stabilise l'image et la renvoie vers les instruments de mesure.

	Miroir	Rôle	Taille	Caractéristiques optiques	Caractéristiques physiques	Contrôles	Autres caractéristiques	Fabricant
	M1	Miroir primaire	Diamètre : 39 m	Concave, asphérique, f/0,9	Miroir segmenté (798 segments)	Forme et position		Safran Reosc (polissage, montage sur support et test de l'ensemble des segments)
	M2	Miroir secondaire	Diamètre : 4,2 m	Convexe, asphérique, f/1,1	Miroir monolithique	Passif, contrôle de position		Safran Reosc
	M3	Miroir tertiaire	Diamètre : 4 m	Concave, asphérique, f/2,6		Actif, contrôle de position		Safran Reosc
	M4	Optique adaptative	Diamètre : 2,4 m	Miroir plan	Miroir segmenté (6 pétales)	Forme et position		Safran Reosc
	M5	Optique adaptative	2,7 x 2,1 m	Miroir plan		Forme et position		Safran Reosc

Les télescopes de grande taille nécessitent une optique adaptative pour atteindre leurs résolutions record malgré les turbulences dues aux conditions atmosphériques. L'optique adaptative n'est pas placée derrière le télescope mais fait partie de celui-ci ce qui simplifie l'instrumentation et permet d'intégrer les vibrations de la structure. Le dispositif qui corrige en temps réel est particulièrement puissant dans le cas de l'E-ELT : le miroir d'optique adaptative M4 a un diamètre de 2,4 mètres contre 11,5 cm pour le VLT et il comprend 5200[36] points d’actionnement contre 185 pour le VLT[37].

L'optique adaptative MAORY (Multi-conjugate Adaptive Optics RelaY) est conçue pour fonctionner avec la caméra MICADO et un deuxième instrument à définir. Elle utilise 6 lasers qui simulent des étoiles artificielles et évalueront les perturbations atmosphériques et deux miroirs déformables M4 et M5 chargés de corriger en conséquence la lumière entrante. Le miroir M4 est posé sur 5200 actionneurs[36] qui le déforment 1 000 fois par seconde[38]^,[39].

• Partie optique
• 
  Quatre segments du miroir primaire géant de l'E-ELT assemblés et testés en Allemagne.
• 
  Diagramme du miroir principal M1 (primary mirror 40m-class) de l'E-ELT.
• 
  Prototype du futur miroir déformable M4 de l'E-ELT.
• 
  Prototype d'une partie du miroir M4 de l'E-ELT.

Comme tous les télescopes de grande taille, l'E-ELT est entouré d'un dôme qui le protège du mauvais temps et met son optique à l'abri du Soleil durant la journée. Plusieurs architectures ont été étudiées, mais c'est finalement un choix classique qui a été effectué. Le dôme de l'E-ELT, de forme pratiquement hémisphérique, est posé sur une embase circulaire en béton, d'environ 10 mètres de haut, sur lequel il roule par l'intermédiaire de deux rails posés sur des bogies fixes pour suivre les mouvements de l'instrument. Deux portes de forme arrondie s'ouvrent latéralement pour permettre les observations. Le cahier des charges spécifie que le dôme doit être capable de pivoter dans les 5 minutes prévues pour l'acquisition par le télescope d'une nouvelle cible, ce qui impose une vitesse de rotation de 2° par seconde (vitesse linéaire de 5 km/h). La taille et la forme du dôme permettent une rotation complète du télescope sur lui-même, qu'il soit en position ouverte ou fermée, sans présence d'obstruction. L'ouverture permet au télescope d'être pointé du zénith jusqu'à une hauteur de 20° au-dessus de l'horizon[40].

Le dôme a un diamètre de 86 mètres et culmine à 74 mètres au-dessus du sol. Les deux portes dégagent une ouverture de 45,3 mètres de large. Pour protéger les miroirs du vent, un paravent constitué de deux panneaux mobiles permet de fermer l'ouverture dans des proportions qui dépendent de l'élévation du point visé par le télescope. Le dôme en position fermée doit être étanche à la fois aux précipitions et à l'air. L'objectif, dans ce dernier cas, est de réduire la puissance des installations de climatisation qui ont pour mission de ramener la température de l'optique à celle de la nuit (capacité : abaisser le température de 10°C en 12 heures), mais qui jouent également un rôle dans le maintien de la propreté de l'optique. Des persiennes situées dans le dôme et sur le socle permettent, à la demande, de faire circuler l'air entre l'extérieur et l'intérieur lorsque les portes sont fermées[40].

Le dôme est constitué d'une structure primaire comprenant un anneau à la base, deux arches de part et d'autre des portes, ainsi qu'une arche perpendiculaire située à l'arrière de l'ouverture de la porte et d'une structure secondaire constituée de poutrelles quadrillant la surface du dôme. La structure secondaire supporte des passerelles qui font le tour de l'intérieur du dôme, à trois hauteurs différentes, pour permettre sa maintenance. Deux grues de 20 tonnes, fixées l'une à l'arche perpendiculaire l'autre sur la structure secondaire, permettent de déplacer les instruments et les composants optiques. La couverture du dôme est constituée en allant de l'extérieur vers l'intérieur par[41] :

• des panneaux en aluzinc (alliage d'aluminium pour fonderie composé de 55 % d´aluminium, de 43,4 % de zinc et de 1,6 % de silicium[42]) de 5 mètres de long et de 1,5 mm d'épaisseur se recouvrant entre eux ;
• un vide de 15 cm d'épaisseur destiné à protéger les couches internes des effets du Soleil, de la pluie et de la neige ;
• une couche d'isolant thermique de 11 cm d'épaisseur surmontée d'une couche étanche bituminée ;
• des tasseaux porteurs galvanisés ;
• d'une charpente reposant sur la structure secondaire du dôme.

• (en) ESO, An Expanded View of the Universe Science with the European Extremely Large Telescope, ESO, 2008, 54 p. (lire en ligne)
  Synthèse des objectifs scientifiques assignés à l'E-ELT
• (en) ESO, E-ELT PROGRAMME : Observatory top level requirements, ESO, 26 avril 2012, 20 p. (lire en ligne)
  Cahier des charges de l'observatoire
• (en) ESO, E-ELT construction proposal, ESO, 2012, 263 p. (lire en ligne)
  Spécifications détaillées de l'E-ELT
• (en) J Liskee et all (ESO), THE E-ELT DESIGN REFERENCE MISSION, ESO, 18 janvier 2011, 451 p. (lire en ligne)
  Principaux cas d'observations réalisées avec l'E-ELT illustrant la mise en œuvre de ses capacités
• (en) ESO, OWL concept design report : Phase A designe Review, ESO, octobre 2005, 687 p. (lire en ligne)
  Rapport sur le projet de télescope de 100 mètres OWL
• Xavier Barcons, Juan Carlos González et Augustín Sánchez Lavega, « ELT : Le plus grand œil de la planète », Pour la science, n^o 511,‎ mai 2020, p. 32-41

• Télescope de Trente Mètres observatoire de la même classe développé par les États-Unis
• Overwhelmingly Large Telescope - projet de télescope de 100 m de l'ESO remplacé par l'E-ELT
• Very Large Telescope Observatoire phare de l'ESO situé à 20 km de l'E-ELT
• Observatoire du Llano de Chajnantor
• Observatoire du Cerro Paranal
• Observatoire de La Silla
• Cerro Tololo Inter-American Observatory
• Télescope géant

• (en) Site officiel E-ELT
• (en) Présentations vidéo de l'E-ELT
• Compte rendu de la conférence "E-ELT, un TÉLESCOPE OPTIQUE GÉANT POUR L'EUROPE" sur le site Planetastronomy.com
• Article de 2016 dans la revue Reflets de la Physique
• « Un chantier monumental », Un Été dans les étoiles, Nicolas Martin, France Culture, 18 juillet 2022.

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